Lebensmittel und Genome Editing: die Gentechnik-Revolution auf Feld und Teller?

A_brown_ewe_portraitLinks seht ihr ein Shetland Schaf. Es hat durch seine natürliche genetische Ausstattung bedingt keine Hörner. Von Jim Champion, lizensiert durchr CC BY-SA 2.0 via Commons, Quelle.


Mittlerweile hat sich die erste Generation der Gentechnik bei einigen Kulturpflanzen wie Mais, Soja, Baumwolle und Raps vor allem in Amerika und Teilen Asiens etabliert. Über 80 Prozent des weltweiten Sojaanbaus bestehen mittlerweile aus gentechnisch veränderten Organismen. Vor kurzem wurde eine Lachssorte als erstes gentechnisch verändertes tierisches Lebensmittel zugelassen. Neben diesen sichtbaren Aspekten hat sich die Gentechnik aber auch durch die Hintertür auf unsere Teller geschlichen. Viele Lebensmittelzusatzstoffe wie Vitamin C, Glutamat und Vitamin B12 in veganen Produkten werden durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen erzeugt. Hinzu kommen viele gentechnisch erzeugte Enzyme, die im finalen Lebensmittel nicht mehr nachweisbar sind (und vor allem auch nicht deklarationspflichtig) aber beim Herstellungsprozess eine wichtige Rolle spielen insbesondere bei Brötchen, Brot und Käse. Allerdings war das nur der Anfang. Gerade findet eine tiefgreifender Umbruch in der Gentechnik statt. Ursprünglich hat man sich bei der Gentechnik auf die Modifikation einzelner Gene konzentriert und die Entwicklung hat sich über Jahrzente hingezogen. Aber nun gibt es das Genome Editing, insbesondere das CRISPR/Cas9 Tool (kurz CRISPR gesprochen als „krisper“). Diese Technik hat zu einer wahren Welle an wissenschaftlichen Publikationen, Patenten und Start Ups geführt, die diese Technik auf die Märkte und in Form von Lebensmittteln auch auf unsere Felder und Teller bringen wollen. Außerdem engagieren sich mittlerweile auch große Konzerne, wie Monsanto und DuPont in diesem Bereich, um ihre Marktpositionen zu sichern und auszubauen.

Das Potential von CRISPR: das Editieren von Genomen

Was ist nun das besondere an CRISPR? Was unterscheidet es von den bisherigen Techniken genetisch veränderte Organismen (GVOs) zu erzeugen? Diese Technik kombiniert in bisher nicht da gewesener Weise drei entscheidende Aspekte:

  1. Sie ermöglicht eine gezielte Änderung bestimmter Gensequenzen
  2. Sie ermöglicht gleichzeitige Änderungen mehrerer Gene.
  3. Außerdem ist die Methode (relativ zu anderen Methoden) sehr einfach und sehr schnell.

Daher kommt auch die metaphorische Bezeichnung der Technik als “genome-editing”. Diese Bezeichnung soll zum Ausdruck bringen, dass man dadurch Genome ähnlich einfach „editieren“ kann wie (digitale) Dokumente oder Datenbanken. Andere gentechnische Werkzeuge, wie Zinkfingernukleasen ermöglichen auch die gezielte Manipulation des Erbgutes sind aber viel aufwendiger zu erzeugen. Zinkfingernukleasen sind Enzyme, die spezifische Gensequenzen erkennen und diese dann enzymatisch schneiden.  Zinkfinger-Proteine müssen für jedes Zielgen, das verändert werden soll, angepasst werden. Aber Proteine zu entwickeln, die gezielt bestimmte Sequenzen erkennen, ist ein sehr aufwendiges und zeitraubendes Verfahren.

Im Gegensatz dazu besteht das CRISPR System aus einem Enzym, der Cas9 Nuklease, welche das Zielgen schneidet und einer „guide RNA“, die das Protein zum Zielgen führt. RNAs lassen sich im Labor wesentlich leichter erzeugen als Proteine. Außerdem lassen sich zusammen mit dem Cas9 Enzym viele verschiedene guide RNAs in die zu manipulierenden Zellen einschleusen, so dass viele genetische Modifikationen gleichzeitig ausgeführt werden können (Multiplexing). Nachdem die Cas-Enzyme eine oder mehrere Zielregionen in der DNA geschnitten hat, sorgen zelleigene DNA-Reperaturmechanismen dafür, dass die freien DNA Enden wieder verbunden werden und bei Bedarf neue Gene eingeführt werden. Mehr technische Details findet ihr z.B. in dem schönen Artikel “Genome Surgery” vom MIT Technologe Review.

Hier ist ein Video, das die Grundlagen von Genom Editing einfach erklärt:

Genome Editing für Feld und Teller: neue Lebensmittel

Es gibt mittlerweile eine unüberschaubare Zahl von Projekten, die einen ganzen Zoo an Nutztieren und Nutzpflanzen hervor gebracht hat, die mit Genom Editing verändert wurden. Ein besonders großen Vorteil bringt CRISPR gegenüber konventioneller Gentechnik bei polyploiden Nutzpflanzen, wie z.B. Weizen. Deshalb gibt es bisher nirgendwo auf der Welt einen wirtschaftlich genutzten GVO-Weizen.

Vor kurzem ist allerdings chinesischen Forschern die genetische Konstruktion eines Weizens gelungen, der gegen einen Schimmelpilz resistent ist. Dieser Schimmelpilz kann zu massiven Ernteausfällen führen. Weizen ist besonders schwer gentechnisch zu manipulieren, da er hexaploid ist also einen sechsfachen Chromosomensatz hat. Um einen reinen GVO zu bekommen, der keine Wildtyp-Gene mehr trägt, sondern nur die modifizierten Gene müssen immer mehrere Gene verändert werden. Das Genome Editing ermöglichte nun das gleichzeitige Ausschalten dreier Gene im Weizen, so dass  ein schimmelpilz-resistenter Weizen erzeugt werden konnte.

DuPont führt momentan Treibhausversuche mit Mais und Weizen durch, die durch Genom Editing modifiziert wurden. Freilandversuche sind für den nächsten Frühling geplant. Nach einem Bericht des MIT Technology Review könnten innerhalb von 5 Jahren die ersten von DuPont mit CRISPR erzeugten Lebensmittel in den Regalen der Supermärkte landen.

Weitere Nutzpflanzen, die mit CRISPR „editiert“ wurden sind Tomaten (Brooks et al. 2014) Hirse, Reis und Tabak (Jiang et al. 2013).

Eine weitere Stärke von Genome Editing ist die Modifikation großer Säugetiere wie Rinder, Schafe, Schweine und Ziegen. Konventionelle Gentechnik bei großen Säugern ist sehr aufwendig und zeitraubend. Ein Beispiel ist die Züchtung hornloser Milchkühe. Bei behornten Kühen, die in Ställen gehalten werden, ist die Verletzungsgefahr relativ groß. Deswegen werden in der konventionellen aber auch oft in der ökologischen Landwirtschaft Kälber enthornt. Dies kann zu erheblichem Schmerzen bei den Tieren führen. Es gibt aber Kühe, die aufgrund ihrer natürlichen genetischen Ausstattung keine Hörner haben (ähnlich wie das Schaf auf dem Foto oben). Diese Rassen haben aber eine schlechte Milchleistung. Durch konventionelle Zucht wäre es zwar möglich aber extrem langwierig hornlose Kühe mit einer hohen Milchleistung zu züchten. Durch Genome Editing ist dies in einem Bruchteil der Zeit möglich (Carroll und Charo 2015). Und tatsächlich: Mittlerweile hat die Firma Recombinetics erfolgreich das Gen für die Hornlosigkeit aus Fleischrindern in Milchrinder mittels Genome Editing überführt.

Eine weitere Anwendung die gerade entwickelt wird, ist die Zucht von Schweinen, die resistent sind gegenüber bestimmten Viruserkrankungen. Durch Genome Editing wird das Protein auf der Oberfläche der Zellen von Schweinen, welches dem Virus als Andockstelle dient, aus dem Genom herausgeschnitten.

Bakterien und Pilze zur Erzeugung von Milch, Käse, Sauerkraut und anderen fermentierten Lebensmitteln sind ein weiteres Anwendungsfeld im Bereich Lebensmitte (Selle und Barrangou 2015). Auch die Zucht von allergenfreien Erdnüssen, Sojabohnen und anderen Nutzpflanzen ist denkbar.

Die unsichtbare Gentechnik

Ein weiterer Vorteil von Genom Editing gegenüber klassischer Gentechnik ist, dass sie so eingesetzt werden kann, dass sie keine Spuren hinterlässt. Nutzpflanzen, die mit klassischer Gentechnik hergestellt wurden, lassen sich im Labor immer als solche identifizieren, da künstlich eingeführte Sequenzen im Genom zurückbleiben. Das gilt nicht für Genom Editing. Durch diese Technik können gezielt bestimmte Sequenzen aus dem Genom gelöscht werden ohne dass dies Spuren hinterlässt. Dies lässt einige Befürworter der Technik hoffen, dass nach den geltenden Gesetzen durch Genom Editing entstandene Organismen nicht als gentechnisch veränderte Organismen gelten werden. Dadurch müssten die so entstanden Organismen kein spezielles Zulassungsverfahren durchlaufen wie es sonst für GVOs notwendig ist. Eine Deklaration von Lebensmitteln, die auf den gentechnischen Ursprung hinweist, wäre ebenfalls nicht notwendig. Würden Lebensmittel, die durch Genome Editing entstanden sind aber als GVOs gelten, würde dies in der EU wohl das Aus für diese Technik zumindest für einige Anwendungsbereiche bedeuten. Im Moment findet eine politische Debatte statt, ob die durch Genome Editing erzeugten Organismen als gentechnisch verändert anzusehen sind oder nicht. Eine Übersicht insbesondere auch über die rechtliche Situation findet ihr in einem Artikel des kritischen Agrarberichtes 2016.

Der Genome Editing Hype

So verlockend das “Genome-Editing” für viele Forscher und die Lebensmittelindustrie auch sein mag. So einfach wie man einen Text editiert, lässt sich das Genom nicht umschreiben. Ein Problem ist zur Zeit noch, dass es unter Umständen auch mal das falsche Gen trifft, das verändert wird (dies wird als “off target” Nukleaseaktivität bezeichnet). Außerdem ist die Zahl gleichzeitiger genetischer Änderungen mit fünf Genen noch relativ gering. Der CRISPR-Hype spiegelt Aspekte amerikanischer Kultur: starker Optimismus, Technikbegeisterung, Selbstdarstellung, aber eben auch Innovationskraft und Kreativität. Was mit einer neuen Technik möglich wird, hängt auch ab von der Investition, die in sie gemacht wird und damit verbunden von dem Glauben an das Potential der Technik. Das ist die wohl bekannte sich selbsterfüllende Prophezeiung.

Eine konstruktiv-kritische Haltung

Man sollte grundlegend kritisch hinterfragen, ob das Genome Editing nicht nur eine weitere Technologie ist, die auf Probleme zielt, welche durch Technik prinzipiell nicht zu lösen sind. Im Bereich Lebensmittel ist dies unter anderem das scheinparadoxe Nebeneinander von krankhafter Fettleibigkeit und Hunger auf unserem Planeten. Weitere Beispiel sind die Massentierhaltung und Lebensmittelallergien. Man muss sich aber auch ernsthaft mit den positiven Potentialen des Genome Editings beschäftigen. Eine pauschale Ablehnung von Genome Editing ist nur schwer begründbar. Ich denke, dass Genome Editing in bestimmte Bereiche Einzug halten wird (Medizin, Zusatzstoffe, Enzyme und Mikroorganismen für Lebensmittel), während die breite Öffentlichkeit in der EU andere Anwendungsfelder ablehnen wird (genetisch veränderte Nutztiere und Pflanzen). Diese scheinbar widersprüchliche Haltung kann man auch als eine differenzierte Bewertung und Abwägungen in spezifischen Kontexten interpretieren.

Literatur

Brooks, C., Nekrasov, V., Lippman, Z. B., & Van Eck, J. (2014). Efficient gene editing in tomato in the first generation using the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated9 system. Plant physiology, 166(3), 1292-1297.

Carroll, D., & Charo, R. A. (2015). The societal opportunities and challenges of genome editing. Genome biology, 16(1), 1-9.

Jiang, W., Zhou, H., Bi, H., Fromm, M., Yang, B., & Weeks, D. P. (2013). Demonstration of CRISPR/Cas9/sgRNA-mediated targeted gene modification in Arabidopsis, tobacco, sorghum and rice. Nucleic acids research, gkt780.

Kanchiswamy, C. N., Sargent, D. J., Velasco, R., Maffei, M. E., & Malnoy, M. (2015). Looking forward to genetically edited fruit crops. Trends in biotechnology, 33(2), 62-64.

Selle, K., & Barrangou, R. (2015). CRISPR‐Based Technologies and the Future of Food Science. Journal of food science, 80(11), R2367-R2372.

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