Neue Technologie CRISPR

Neue Technologie CRISPR

Bild: Informationsdienst Gentechnik,CC BY-NC-ND 3.0

Pflanzen, an denen sich gierige Raupen die Zähne ausbeißen, Kuhmilch, die jeder Mensch gut verträgt, sichere Ernten für Bauern und genügend gesunde Lebensmittel für alle – wäre das nicht toll? Da sagt wohl fast keiner nein. Die Frage ist nur, wie wir diese Ziele erreichen können. Große Agrarunternehmen – meist sind es Chemikalien-Hersteller mit Landwirtschaftsabteilung – sagen: Wir sind näher dran als je zuvor. Und verweisen auf eine Reihe neuer Techniken, mit denen Pflanzen, Tiere oder Mikroorganismen verändert werden können. Es wird behauptet, sie seien präziser, einfacher und günstiger als die „alte Gentechnik“, mit der ja schon seit vielen Jahren am Erbgut von Lebewesen gebastelt wird. Zu diesen neuen Techniken gehört die CRISPR-Methode. Die Medien haben sie als „Revolution“ der Gentechnik oder als „Durchbruch“ gefeiert.

In den USA hat eine Behörde bereits mit CRISPR-Cas9 veränderte Pflanzen zugelassen: einen  Champignon, der nicht braun werden und dadurch länger frisch aussehen soll 1, sowie einen Wachsmais, der im Vergleich zum herkömmlichen Gelbmais eine andere Stärkezusammensetzung hat. Er soll besonders gut als industrielle Spezialstärke geeignet sein und dazu, Fertiglebensmittel oder Babynahrung zu verdicken. Ab 2021 will der Chemiekonzern Dupont diesen Mais Famern zum Anbau auf ihren Feldern verkaufen 2 . Auch Tiere sind im Visier der Gentechniker: Schweine sollen durch CRISPR schneller mehr Muskeln aufbauen, d.h. Fleisch für den Teller produzieren 3 . Bei Hunden haben chinesische Gentechniker ebenfalls mit CRISPR an der Muskelmasse gebastelt, mit dem Ziel, Hunde für das Versuchslabor zu „optimieren“ 4.

Wie funktioniert CRISPR?

(Grafik: wikipedia, CC BY 4.0)

Eine Erfindung der Natur

CRISPR steht zunächst einmal für ein natürliches Phänomen. CRISPR sind die Anfangsbuchstaben von Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, zu deutsch etwa kurze Abschnitte sich wiederholender DNA. DNA wiederum ist die Abkürzung für DesoxyriboNukleinsäure (das A steht für Acid, das englische Wort für Säure). Die DNA enthält den „Bauplan“ für einen Organismus, das Erbgut. Beim menschlichen Organismus legt sie beispielsweise fest, ob wir groß oder klein werden, blond oder dunkelhaarig. CRISPR sind also vereinfacht gesagt sich wiederholende Abschnitte von Bauplänen. 

Sehr viele Bakterien und Archaeen (oft als „Urbakterien“ bezeichnet) verfügen von Natur aus über CRISPR. Dort wiederholen sich bestimmte DNA-Abschnitte immer wieder. Entdeckt wurden diese Wiederholungen schon im Jahr 1987, doch erst 20 Jahre später konnten sich Forscher einen Reim darauf machen 5 : Sie fanden heraus, dass die CRISPR-Sequenzen dazu dienen, Eindringlinge zu erkennen, zum Beispiel Viren. Sind sie identifiziert, können sie unschädlich gemacht werden.

Um das zu schaffen, bauen Bakterien nach einem Angriff einen Teil der fremden DNA in ihr eigenes Erbgut ein, um später, wenn erneut Viren eindringen, diese sofort abfangen zu können. Zerstört werden sie dann durch ein  Enzym, das die eingedrungene DNA zerschneiden kann („Gen-Schere“). Das Enzym heißt Cas9, bei manchen Bakterien wehrt auch das erst seit 2016 bekannte Cpf1 6 die Viren ab, bei wieder anderen heißt das Enzym C2c2 7 .

Der gesamte Abwehrmechanismus der Bakterien trägt die Namen der DNA-Wiederholungen (CRISPR) und des Schneidewerkzeugs (Cas etc.), also CRISPR-Cas9 bzw. CRISPR-Cpf1. Sicherlich werden auch noch weitere Kombinationen entdeckt.

Grafik: CRISPR-Cas9-Prozess Pflanzenforschung.de, wikipedia, CC BY-SA 3.0

Die CRISPR-Gentechnik

Bild: Bakterien, pixabay, CC0

CRISPR ist also ein natürlicher Schutzmechanismus von Bakterien. Wo kommt nun die Gentechnik ins Spiel? Vereinfacht gesagt beruht die Methode darauf, den biologischen Abwehr- und Reparaturmechanismus der Zelle auszunutzen.

So geht’s: Eine gentechnisch hergestellte CRISPR-Komponente wird mit dem Enzym Cas9 oder Cpf1  gekoppelt. Die „Gen-Sonde“ (CRISPR-Sequenz) führt das Enzym zu einer bestimmten Stelle im Erbgut – das kann in Zellen von Pflanzen, Mikroorganismen, Tieren oder Menschen geschehen –, dort zertrennt die „Gen-Schere“ (Enzym) die DNA. Die Zelle repariert diese Stelle, wodurch aber Veränderungen entstehen. Auf diese Weise können die Gentechniker das Erbgut manipulieren, Gene stilllegen und neue (künstliche) DNA einbauen 8

Die CRISPR-Technik ist nach einhelliger Meinung von Experten sehr vielseitig einsetzbar, sie ist günstiger und einfacher zu handhaben als andere Gentechniken und bietet viele, bislang ungeahnte Möglichkeiten. Brauchte es bei der „klassischen“ Gentechnik oft noch die „Gen-Kanone“, mit der fremde DNA relativ ungenau in die Zelle geschossen wurde, spricht man bei CRISPR – und einigen anderen Techniken – vom „Genome Editing“, weil die Genmanipulation nun eher dem Programmieren von Computercodes gleicht.

Aber wie präzise ist CRISPR denn nun wirklich? Und wie groß sind die Risiken eines Einsatzes?

Offene Fragen

CRISPR ist ein ziemlich mächtiges Werkzeug für Biologen und Genetiker, doch es ist auch noch ein sehr neues, mit dem erst seit wenigen Jahren gearbeitet wird (zum Vergleich: die herkömmliche Gentechnik wird schon seit über 20 Jahren angewendet – und auch bei ihr sind längst nicht alle Fragen geklärt) 9. Aus Sicht von Firmen, die mit gentechnisch veränderten Pflanzen und anderen Organismen Geld verdienen und das weiterhin tun wollen, soll es jetzt so schnell wie möglich los gehen mit der CRISPRisierung. Manche Forscher würden lieber auf die Bremse treten. Warum?

Biologische Unsicherheiten

Fans von CRISPR sagen, die Technik sei wesentlich präziser als die alte Gentechnik. Deshalb müsse man sich weniger Sorgen machen, dass bei einem Organismus, zum Beispiel einer Maispflanze, Änderungen im Genom auftreten, die gar nicht beabsichtigt waren. Wissenschaftliche Studien haben aber gezeigt, dass das nicht stimmt (worauf zum Beispiel das österreichische Umweltbundesamt hinweist 10 . So wurden DNA-Stränge manchmal an der falschen Stelle zerschnitten. Und Forscher einer US-amerikanischen Universität berichteten 2017, dass bei der Anwendung von CRISPR-Cas9 „Hunderte von ungeplanten Mutationen im Genom“ ausgelöst werden können 11.

Und auch kleinste Abweichungen im Genom können gravierende Auswirkungen haben, erinnert das staatliche Bundesamt für Naturschutz (BfN) in einem Hintergrundpapier 12 zu CRISPR & Co: „Auch einzelne Deletionen oder Insertionen, also das Einfügen oder Entfernen einzelner Buchstaben der DNA, können Organismen stark ändern. Bekannt ist dies bei Erbkrankheiten wie der Sichelzellenanämie, die auf die Änderung einer einzelnen Base zurückgehen können und dennoch eine große Wirkung entfalten.“ Bei dieser Krankheit verklumpen bei Menschen die roten Blutkörperchen und verstopfen Gefäße, was zu Durchblutungsstörungen führt und tödlich enden kann.

Wie bereits beschrieben handelt es sich bei CRISPR in der Natur um einen Schutzmechanismus von Bakterien, mit dem diese Viren und andere Eindringlinge bekämpfen. Es ist nicht klar, ob die von Bakterien abgeschaute Technik auch bei Pflanzen und Tieren so funktioniert: „[Es] wird also ein System, das sich im Rahmen der Evolution innerhalb bestimmter Zusammenhänge entwickelt hat, jenseits der biologischen Grenzen übertragen“, so Testbiotech 13. „Die Zellen von Pflanzen und Tieren sind anders aufgebaut als diejenigen von Bakterien (oder das Erbgut von Viren) und verfügen über andere Regulationsmechanismen. Die Folge könnten ungeahnte und unbeabsichtigte Änderungen der DNA sein.

(Foto: Chafer Machinery/Flickr.com)

Landwirtschaft: Kommt da wirklich etwas Neues?

Schon von Anbeginn der Gentechnik an versprechen ihre Befürworter eine „bessere“ Landwirtschaft: höhere Ernten, gesündere Pflanzen, weniger Schädlinge. Kritiker haben oft darauf hingewiesen, dass der Großteil der Gentech-Soja- oder Maispflanzen resistent ist gegen chemische Spritzmittel wie Glyphosat. Dadurch werde immer mehr gespritzt, mit negativen Folgen für Gesundheit und Artenvielfalt. Wäre das bei CRISPR anders? Das staatliche Bundesamt für Naturschutz (BfN) meint 14: „Auch mit Neuen Techniken können und werden bereits herbizidresistente Pflanzen entwickelt, allerdings gelingt dies wahrscheinlich schneller und für mehr Nutzpflanzen als bisher. Solche Nutzpflanzen können dem Landwirt zwar das Arbeiten kurzfristig erleichtern, langfristig treiben sie aber durch vermehrten Einsatz von Herbiziden den weiteren Rückgang der Agrobiodiversität 15  voran.“

Auch negative Folgen für andere Pflanzen und damit für die Artenvielfalt könnten nach Einsatz von CRISPR und anderen „Genome Editing“-Verfahren auftreten, so das BfN : „In der Zukunft sollen beispielsweise Stressresistenzen Pflanzen vor Trockenheit oder Hitze schützen. Diese Resistenzen und Eigenschaften könnten aber auch dazu führen, dass sich diese Pflanzen in der freien Natur und hier insbesondere an neuen Standorten besser etablieren und die hier ursprünglich vorkommenden Arten verdrängen.“ Diese CRISPR-Pflanzen könnten dann nur schwer wieder aus der Natur zu entfernen sein, befürchten die Experten. 

Dabei können viele wichtige Verbesserungen, wie zum Beispiel Widerstandsfähigkeit gegen Dürren oder bei Überschwemmungen, schon heute ganz ohne Gentechnik erreicht werden. Die normale Pflanzenzucht, die auf der riesigen Vielfalt natürlicher Arten und jahrhundertealtem Wissen beruht, hat auch mit geringen Mitteln große Erfolge hervorgebracht.

CRISPR: Erfindung der Natur, patentiert von Unternehmern?

(Grafik: Konzernatlas 2017, boellstiftung, CC BY 2.0)

Ob Glühbirne, Fön oder das neueste Smartphone – Erfinder lassen ihre Ideen meist schützen, damit sie nicht so schnell geklaut werden. Dafür beantragen sie bei den zuständigen Behörden ein Patent. Erhalten sie es, können sie bestimmen, wer ihre Entdeckung in den nächsten Jahren benutzen darf und was diejenigen dafür zahlen müssen.

Wie ist es bei der Gentechnik? Dass Lebewesen keine Erfindung von Menschen sind, bestreitet niemand. Aber Wissenschaftler und Unternehmer haben es trotzdem geschafft, gentechnisch veränderte Pflanzen und auch Tiere wie Schweine, Kühe und sogar Affen zu patentieren. Daran gibt es viel Kritik, die Patente gelten dennoch.

Auch bei CRISPR liefern sich Gentechniker und Konzerne ein Wettrennen um den Patentschutz, obwohl doch auch dieses „Genome Editing“-Verfahren aus der Natur stammt, nämlich aus Bakterien, die sich damit vor Feinden schützen. Das ist besonders interessant, weil die Firmen, die mit CRISPR-Organismen möglichst schnell Profit machen wollen, gleichzeitig behaupten, es handle sich hier gar nicht um Gentechnik. Patente wollen sie dafür trotzdem. „Milliarden Dollar hängen von dem Ergebnis des Kräftemessens ab“, heißt es im Konzernatlas 2017 19 einem Bericht von Umweltschützern, Entwicklungshelfern, politischen Stiftungen und der Monatszeitung Le Monde diplomatique.

(Grafik: Konzernatlas 2017, boellstiftung, CC BY 2.0)

Chemiekonzerne wie Monsanto, Dupont und BASF, die auch mit „normalen“ Gentechnik-Pflanzen viel Geld verdient haben, haben sich von den CRISPR-Forschern eine Lizenz gekauft, um die Technik nutzen zu können. Die US-Konzerne Monsanto und Dupont wollen laut Konzernatlas bis 2021 CRISPR-Pflanzen auf den Markt bringen, also das damit manipulierte Saatgut an Landwirte verkaufen.

Kritiker sagen, Patente auf Gentechnik-Pflanzen und -Tiere führen zu mehr Gentechnik auf dem Acker, im Stall oder im Tierlabor, weil sich erst durch sie die Investition richtig lohnt. Da die neuen Pflanzen und Produkte häufig an Versuchstieren wie Mäusen und Ratten getestet werden, wird so auch mehr Tieren Leid zugefügt, heißt es beim Verein Testbiotech 20.

Zudem, so Patentkritiker weiter, erschwert es der Patentschutz angeblicher Erfindungen wie CRISPR unabhängigen Forschern und Behörden, die Gentech-Organismen wissenschaftlich zu überprüfen – außerhalb der Unternehmenslabore. Das ist aber wichtig, um Risiken für die Umwelt und für Menschen aufzudecken.

Ist CRISPR „Gentechnik“ oder nicht?

Agrarkonzerne wie Monsanto, Bayer oder Dupont hoffen, mit CRISPR zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen: Erstens sollen die mit CRISPR bearbeiteten Pflanzen aus ihrer Sicht nicht als Gentechnik gelten. Zweitens sollen sie trotzdem patentiert werden dürfen. Geht es nach ihrem Willen, bekommen sie das Beste aus beiden Welten: Eine Gentechnik, die als patentierbare Erfindung gilt, aber nicht als Gentechnik. Klingt komisch, hätte für die Firmen aber einen großen Vorteil. Denn wenn eine Pflanze nicht als gentechnisch verändert eingestuft wird, darf sie schneller auf den Acker, kann also schneller Gewinn abwerfen. Teure Studien zu etwaigen Risiken fallen weg (bei der „alten“ Gentechnik sind diese in der Europäischen Union vorgeschrieben, auch wenn Kritiker sie nicht für ausreichend halten) 21.

Deshalb beackern die Lobbyisten der Industrie Politiker in der EU und in deren Mitgliedstaaten, auch in Deutschland 22. Ihr Ziel: Für CRISPR und andere „Genome Editing“-Methoden sollen die Gentechnik-Regeln nicht gelten. Sie argumentieren zum Beispiel, die Änderungen in der DNA seien bei CRISPR teils so gering, dass sie auch aus der Natur heraus entstehen können. Das Beispiel der für Menschen bedrohlichen Krankheit der Sichelzellenanämie zeigt aber, dass auch eine winzige Abweichung im Erbgut ernste Folgen haben kann, wie auch das Bundesamt für Naturschutz mahnt 23 .

„Aus strikt wissenschaftlicher und technischer Perspektive“ seien CRISPR und andere neue Techniken, mit denen die DNA von Pflanzen oder Tieren verändert wird, klar Gentechnik, am Ende des Prozesses stehe ein gentechnisch veränderter Organismus, bilanziert ENSSER 24, ein Netzwerk europäischer Wissenschaftler (European Network of Scientists for Social and Environmental Responsibility). Man müsse nur in die Medizin gucken, so die ENSSER-Fachleute: Dort wird ebenfalls über CRISPR als mögliches Werkzeug der „Gen-Therapie“ diskutiert – der Status als „Gentechnik“ werde dort aber nicht bezweifelt. Anders als in der Landwirtschaft.

Ob CRISPR und damit editierter Mais, Soja oder Kartoffeln als Gentechnik eingestuft wird oder nicht, werden Politiker entscheiden. Sie stützen sich dabei auf Naturwissenschaftler, aber auch Juristen. Das Gentechnik-Recht der EU ist ziemlich kompliziert, deswegen gibt es auch hier unterschiedliche Meinungen: Das Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) meint, CRISPR-Cas9 gehört nicht zu den Gentechniken im Sinne der europäischen Regeln, weil die damit hervorgerufenen „Punktmutationen“ auch durch normale Züchtung entstehen könnten. Anders sehen das die deutschen Rechtsexperten Professor Ludwig Krämer 25 und Professor Tade Matthias Spranger 26, für die CRISPR unter das Gentechnik-Recht fallen muss. Krämer hält es unter anderem für entscheidend, dass genetisches Material im Labor produziert und in den Zielorganismus, zum Beispiel die Pflanze, eingeführt wird. Das sei ein gentechnischer Prozess, egal wie das Endprodukt schließlich aussieht.

Fazit

CRISPR ist eine Erfindung der Natur, die schlaue Forscher ausnutzen, um das Erbgut von Pflanzen, Tieren oder anderen Organismen zu verändern. Die Technik ist beeindruckend. Doch die Folgen eines unkontrollierten Einsatzes sollten nicht einfach verdrängt werden. Für die Landwirtschaft könnte der Einsatz zudem bedeuten: Weiter wie mit der alten Gentechnik, nur noch schneller und mehr davon. Dabei hat das bereits zu mehr Spritzmitteln auf dem Acker und mehr Monokulturen geführt, worunter die Artenvielfalt leidet. Es gibt aber eine Alternative zu CRISPR und anderen neuen Gentechniken: Die Pflanzenzüchtung, die mit sehr einfachen Mitteln viele Fortschritte bei Ernten und Pflanzengesundheit ermöglicht hat – und auch von Bauern in armen Ländern durchgeführt werden kann.

Quellen:

1) taz: Der Champignon, der nicht braun wird, 26. 4. 2016

2) DU PONT/PIONEER: Pressemitteilung - DuPont Pioneer Announces Intentions to Commercialize First CRISPR-Cas Product, 18.04.16

3) nature: Super-muscly pigs created by small genetic tweak, 30.06.2015

4) MIT Technology Review: First Gene-Edited Dogs Reported in China, 19.10.2015

5) nature: CRISPR, the disruptor, 03.06.2015

6) Max-Planck-Gesellschaft: Cpf1 - CRISPR-Enzymschere schneidet RNA und DNA, 01.04.2016

7) Max-Planck-Gesellschaft: Genom Editierung – noch exakter, noch treffsicherer

8) Test Biotech: Synthetische Gentechnik und ihre Anwendung bei Pflanzen und Tieren in der Landwirtschaft, 22.01.2018

9) Schule und Gentechnik: Zum Stand der Forschung

10) Umweltbundesamt - New plant breeding Techniques, 2014

11) Tagesspiegel: Genschere schneidet auch ungezielt im Erbgut herum, 29.05.2017

12) Bundesamt für Naturschutz: Hintergrundpapier zu Neuen Techniken, 12.07.2017

13) Test Biotech: Synthetische Gentechnik und ihre Anwendung bei Pflanzen und Tieren in der Landwirtschaft, 22.01.2018

14) Bundesamt für Naturschutz: Hintergrundpapier zu Neuen Techniken, 12.07.2017

15) Bundesamt für Naturschutz: Agrobiodiversität

16) Bundesamt für Naturschutz: Hintergrundpapier zu Neuen Techniken, 12.07.2017

17) Schule und Gentechnik: Pflanzenzucht

18) Schule und Gentechnik: Patente

19) Heinrich Böll Stiftung: Konzernatlas, 10.01.2017

20) Test Biotech: Synthetische Gentechnik und CRISPR-Cas – die Risiken im Überblick, 2017

21) Informationsdienst Gentechnik: Dossier Gentechnik-Risikobewertung in der EU

22) Informationsdienst Gentechnik: Einblicke in den Gentechnik-Lobbyismus, 03.02.2016

23) Bundesamt für Naturschutz: Hintergrundpapier zu Neuen Techniken, 12.07.2017

24) ENSSER: Statement on New Genetic Modification Techniques, 27.09.2017

25) Professor Dr. Ludwig Krämer: Legal questions concerning new methods for changing the genetic conditions in plants, September 2015

26) Professor Dr. Dr. Tade Matthias Spranger: Legal Analysis, Oktober 2015

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