CRISPR/Cas9 – Was die neue Gen-Revolution bedeutet

 

Stellen Sie sich vor, Sie könnten so viel essen, wie Sie möchten und würden dabei kein Gramm an Gewicht zunehmen. Möglich macht dies eine Gentherapie. Ihr Arzt spritzt Ihnen dazu eine Substanz. Sie enthält einen Proteinkomplex, der Ihre Stoffwechsel-Gene umprogrammiert. Überschüssige Kohlenhydrate werden nicht mehr als Fett gespeichert, sondern ausgeschieden. Übergewicht gehört damit der Vergangenheit an. Gedankenexperimente wie diese sind längst keine Science-Fiction mehr. Mit Hilfe der Technologie CRISPR/Cas9 bricht ein neues Zeitalter in der Gentechnik an. Erstmalig können die Gene von Pflanzen, Tieren und Menschen präzise verändert werden.  

Die Technologie ist der wichtigste medizinische Durchbruch des Jahrhunderts. Das Editieren von Genen war lange Zeit teuer, zeitaufwendig und fehleranfällig. Dies lag an der Schwierigkeit, am DNA-Doppelstrang gezielt an einer gewünschten Stelle einzugreifen. Genau hier stellt CRISPR/Cas9 den entscheidenden Durchbruch dar. Ursprung der Technologie ist die Erkenntnis, dass die Cas-Proteine jede beliebige DNA zerschneiden, sofern man ihnen die passende Erkennungs-RNA mitgibt. Das CRISPR/Cas9-System funktioniert damit wie ein Texteditor. Nach dem gezielten Schnitt des DNA-Stranges können nun einzelne Gene gelöscht oder eingefügt werden.

CRISPR/Cas9 ist im Vergleich zu früheren Genome-Editing-Verfahren schnell, kostengünstig und präzise. Die Technologie hat eine Aufbruchsstimmung in der Genforschung ausgelöst. Rasch ist eine Vielzahl von Forschern auf das neue CRISPR-Verfahren umgestiegen. Doch Vorsicht ist geboten, denn die neue Technologie hat auch Schwächen. Sogenannte Off-Target-Effekte entstehen, wenn die Zielsequenz nicht richtig erkannt wird. So können Gene unabsichtlich ausgeschalten werden, die für wichtige Funktionen im Organismus zuständig sind.

Wie sollten unterschiedliche Branchen mit dem Innovationspotential umgehen?

CRISPR/Cas9 entfaltet ein sehr branchenspezifisches Innovationspotential. Besonders relevant ist die Technologie für die Agrar- und Pharmabranche, da sie die Anwendungsmöglichkeiten der grünen und roten Gentechnik stark erweitert. Unternehmen dieser Branchen haben bedingt durch die starke F&E Orientierung im Innovationsprozess Forschungsaktivitäten schnell auf den Weg gebracht. Darüber hinaus nutzen sie alternative Wege und investieren in vielversprechende Startups.

Für Branchen wie z.B. die Automobil- oder die Textilindustrie gilt es, die Entwicklungen rund um CRISPR/Cas9 zu analysieren. Technologiefolgeabschätzungen helfen bei der Beurteilung von Use-Cases. Welche Möglichkeiten entstehen für Materialien, die – gentechnisch verändert – längere Haltbarkeiten oder spezielle Funktionalitäten aufweisen? Ist eine mit genoptimiertem Biomaterial überzogene Karosserie zukünftig in der Lage, Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln?

Die Entwicklung der Technologie aktiv zu verfolgen ist auch für Branchen wie z.B. den Lebensmitteleinzelhandel wichtig. Diese Branchen sind weniger durch die Technologieentwicklung direkt betroffen, sondern sind vielmehr mit ihren Auswirkungen konfrontiert. Im Sinne des Konsumenten müssen Händler die Meinungen und Erwartungen in Hinblick auf die Technologie im Auge behalten. Unter welchen Umständen akzeptieren Verbraucher zukünftig gentechnisch veränderte Erzeugnisse? Welche Regulierungen bezüglich der Kennzeichnungspflicht und Rückverfolgung sind zu erwarten?

Fokus Agrarwirtschaft – Welche Innovationen sind durch CRISPR/Cas9 zu erwarten?

Aufbauend auf den Kompetenzen der grünen Gentechnik entsteht an Universitäten sowie bei Saatgut- und Agrochemie-Herstellern die größte Innovationsdynamik. CRISPR/Cas9 hilft den Forschern die Fehler der Vergangenheit, wie die in Indien in der Kritik stehende Bt-Baumwolle, zu vermeiden. Der an der Pennsylvania State University geschaffene Zuchtchampignon gilt als Vorzeigebeispiel. Durch den chirurgischen Eingriff in das Erbgut des Pilzes werden Druckstellen nicht so schnell braun. Der haltbare Champignon ist das erste CRISPR-Produkt. Er wurde 2016 von der US-Landwirtschaftsbehörde USDA erlaubt und darf ohne Auflagen in die Supermarktregale.

Große Hoffnungen verbinden Forscher bei der Anwendung von CRISPR/Cas9 bei Weizen, Maniok, Reis und Mais. Die Pflanzen sollen mit Hilfe der Technologie resistenter gegenüber Schädlingen oder Pilzbefall werden. Der geringere Einsatz von Herbiziden und Fungiziden soll der Umwelt und dem Menschen zu Gute kommen. Neben dem ökologischen stehen auch ökonomische Interessen im Vordergrund. Die Steigerung des Ertrages ist besonders in den Ländern Afrikas ein wichtiger Faktor. Einen weitaus größeren Schritt versprechen sich Gentechniker allerdings von der Veränderung der Fotosynthese. Durch CRISPR/Cas9 könnten Pflanzen mehr Kohlendioxid aufnehmen. Pflanzen die eine höhere Fotosyntheserate aufweisen, besitzen die Fähigkeit mehr Kohlenhydrate in sich zu speichern und sind daher optimale Energielieferanten.

Der Einsatz von CRISPR/Cas9 zur Erzeugung von „Goldenem Reis“ ist ebenfalls denkbar. Die heftig diskutierte genmanipulierte Pflanze ist in der Lage mehr Carotinoide (eine Vorstufe von Vitamin A) zu produzieren. Bereits eine halbe Tasse Goldener Reis pro Tag verhindert, dass zwei Millionen Menschen an Vitamin-A-Mangel erblinden oder sterben. Wenn CRISPR/Cas9 zur Erzeugung von Goldenem Reis eingesetzt wird, könnte die Kritik an der transgenen Pflanze zum Erliegen kommen. Durch die präzisen Eingriffe in das Erbgut der Pflanzen müssen keine längeren Gensequenzen verändert oder gar artfremde Gene eingeschleust werden. Das Ergebnis ist als „naturidentisch“ zu sehen. Es lässt sich später im Labor nicht mehr feststellen, ob die Veränderungen durch eine natürliche Mutation, eine Kreuzung oder mit Hilfe von CRISPR/Cas9 herbeigeführt wurde.

Der Goldene Reis ist nur der Anfang, denn auf der Agenda der Forscher stehen zukünftig Pflanzen, die den Menschen gesünder machen sollen. Dazu zählen Pflanzen mit einer höheren Konzentration an Omega 3-Fettsäuren, die das Herz-Kreislaufsystem fit halten. Auch Weizenprodukte mit einem geringeren Glutengehalt würden die Lebensqualität von Menschen mit Unverträglichkeiten verbessern. Die Bedenken der Bevölkerung gegenüber genveränderten Nahrungsmitteln sind in Europa besonders stark, denn die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt sind umstritten. CRISPR/Cas9 kann den Weg in eine natürliche Gentechnik ebnen. Dennoch: keine Technologie ist zu 100 Prozent positiv oder zu 100 Prozent negativ. Ambivalenzen begleiten technischen Entwicklungen. Als Gesellschaft gilt es zukünftig mit ihnen umzugehen.

Fokus Pharmaindustrie – Welche Innovationen sind durch CRISPR/Cas9 zu erwarten?

Eine ähnlich hohe Innovationsdynamik wie die Agrarbranche weißt die Pharmaindustrie auf. Sie ist neben eigenen F&E Aktivitäten sehr früh dazu übergegangen CRISPR-Startups zu finanzieren. Dazu zählt CRISPR Therapeutics, das 2016 mit Bayer ein langfristiges Joint Venture einging. Rund 335 Millionen US-Dollar investiert Bayer in das Projekt. Mitgründerin des Startups ist Emmanuelle Charpentier, die gemeinsam mit Jennifer Doudna das CRISPR/Cas9 Verfahren 2012 publik machte. Auch Doudna selbst hat ein Startup gemeinsam mit anderen Forschern unter dem Namen Caribou Biosciences gegründet. Es wird vom Schweizer Pharmakonzern Novartis finanziert. Doudna ist außerdem Mitgründerin des Startups Editas Medicine, das von Bill Gates mit 120 Millionen US-Dollar zur Entwicklung von Gentherapien finanziell unterstützt wird.

Im Gegensatz zur Pflanzenzucht steht das Editieren von Gene in der Humanmedizin gerade erst am Anfang. Die hohen Investitionen bilden die Grundlage für den schnellen Fortschritt der Startups. Charpentier und Doudna gehen schon heute davon aus, dass Eingriffe in das menschliche Genom in naher Zukunft kein technisches Problem mehr darstellen. Am aussichtsreichsten ist die Anwendung von CRISPR/Cas9 zur Eliminierung von Erbkrankheiten. Ein Beispiel ist die Beta-Thalassämie, bei der Betroffene rote Blutkörperchen nur unzureichend bilden. Bei dieser Erbkrankheit muss lediglich ein einziges Gen korrigiert werden, dessen Fehlfunktion zu dem Mangel an Hämoglobin führt. Schwieriger ist die Behandlung von HIV. An der Temple University in Philadelphia ist es Forschern gelungen, HIV-Viren bei Mäusen durch eine CRISPR/Cas9-Editierung zu bekämpfen.

Eine Gentherapie könnte auch im Kampf gegen Krebs Erfolg versprechen. Wissenschaftler von der chinesischen Sichuan University in Chengdu behandelten Patienten, die an Lungenkrebs erkrankt waren. Sie entnahmen ihnen Immunzellen und schalteten mit CRISPR/Cas9 ein bestimmtes Gen aus, das als Bremse bei der Krebsbekämpfung agiert. Anschließend bekamen die Patienten die Immunzellen zurück ins Blut. Den Ärzten zufolge verlief die Behandlung ohne Zwischenfälle. Wissenschaftler gehen ebenfalls der Möglichkeit nach, Malaria auszurotten. Dazu setzen sie CRISPR/Cas9 ein, um die Mücken einer Population resistent gegen den Parasiten zu machen. Die selbstreplizierende Technik hatte zuvor bei Mücken in Laborversuchen tatsächlich wie gewünscht funktioniert. Die Resistenzgene hatten sich rasch in das Genom sämtlicher Mücken und ihrer Nachkommen integriert. Malaria konnte nicht mehr auf den Menschen übertragen werden.

Weit über die Behandlung von Krankheiten hinaus, geht der Eingriff in das menschliche Erbgut zur Schaffung von sogenannten „Designer Babys“. Mit Hilfe von CRISPR/Cas9 können Augenfarbe oder Körpergröße genetisch beeinflusst werden. Das Fachblatt Nature spekulierte kürzlich darüber, in welchem Land das erste CRISPR-Baby geboren wird. In Hinblick auf Kultur und Gesetzeslagen waren die Antworten: China, Japan, Indien und Argentinien. Mit CRISPR/Cas9 sind Forscher auch in der Lage, die menschliche Intelligenz zu steigern. Bei Mäusen ist es ihnen bereits gelungen, mehreren Kopien des Gens NRB2 zu erzeugen, dass die für das Lernen und Erinnern verantwortliche Rezeptoren im Gehirn reguliert.

Doch was geschieht, wenn ganz andere Eigenschaften des Menschen verändert werden können? Ein besseres Sehvermögen, stärkere Muskeln oder eine höhere Konzentrationsfähigkeit – Befürworter sprechen vom optimierten Menschen, Kritiker von genetischer Menschenzucht. Hatte der Mensch bislang die Natur tiefgreifender Veränderungen unterzogen, ist es nun der Mensch selbst, der massiven Veränderungen ausgesetzt ist. Durch CRISPR/Cas9 muss sich der Mensch auf eine Entwicklung einstellen, die alles verändert „was den Menschen im Innersten zusammenhält“.


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