Das war die Baylab-Lehrerfortbildung zum „Genome Editing“ in Berlin

Sehr interessierte und diskussionsfreudige Lehrer und Referenten, die mit Spaß und Engagement bei der Sache waren - so das Fazit unserer Lehrerfortbildung zur „Genschere“, die im September im Bayer CoLaborator in Berlin stattfand.

Die zwei Bayer-Wissenschaftler und die beiden externen Kollegen erläuterten rund 30 Biologie- und Chemie-Lehrern aktuelle Trends aus der medizinischen und landwirtschaftlichen Forschung. Die Teilnehmer waren entweder auf der Baylab-Seite auf die Weiterbildungs-Veranstaltung aufmerksam geworden oder über die regionale Lehrerfortbildung Berlin Brandenburg. Schwerpunkt war die CRISPR/Cas9-Methode, auch bekannt als Genschere oder Genome Editing.

Die Genschere ist derzeit eines der aktuellsten Themen in der Wissenschaft, mit großem Potenzial. Die Biologie-Lehrer werden das Thema in absehbarer Zeit unterrichten müssen und als innovatives Forschungsunternehmen wollen wir unseren Beitrag leisten, sie auf den aktuellen Stand der Forschung bringen. Die große Zahl der Anmeldungen und die vielen Fragen der Pädagogen haben uns gezeigt, dass das Thema von großem Interesse ist.

Gesellschaftlich wird das Thema durchaus kontrovers diskutiert. So hat das Bundesamt für Risikobewertung in einer Umfrage festgestellt, dass die meisten Deutschen der medizinischen Anwendung absolut zustimmen. Im Lebensmittelbereich wird die Genschere hingegen weitgehend abgelehnt, sogar noch deutlicher als konventionelle Gentechnik. Das Widersprüchliche daran: Die meisten Befragten hatten zuvor noch nie etwas von der Methode gehört. Die Vermittlung von wissenschaftlichen Grundlagen zum Thema ist also überaus wichtig.

Wie Bakterien sich gegen Feinde wehren

Dr. André Cohnen, Bayer-Wissenschaftler in der Biologischen Pharma-Forschung in Köln, erläuterte den Pädagogen zunächst, wie die Wissenschaftler überhaupt auf die Methode gestoßen sind. Bakterien sind ständigen Bedrohungen ausgesetzt, vor allem durch sogenannte Phagen, quasi bakterielle Viren. Bakterien haben kein klassisches Immunsystem, um sich dagegen zu wehren. Stattdessen nehmen einige Bakterienarten Phagen-DNA in ihre eigene DNA auf. Sie dient als eine Art Fahndungsfoto, damit das Bakterium sofort erkennt: Hier kommt ein Feind, der zerstört werden muss.

2007 wurde bewiesen, dass Bakterien immun gegen die Infektion mit Phagen sind, deren Sequenz sie in ihrem eigenen Genom tragen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass dafür in vielen Fällen nur ein einziges Protein notwendig ist: ein Cas9-Enzym. Es dient als Rasterfahnder, der "feindliche" Phagen erkennt und ihre DNA zerschneidet, und somit die Infektion durch die Phagen verhindert. Inzwischen ist bewiesen, dass dies nicht nur bei Bakterien, sondern auch bei Menschen und Tieren funktioniert. Hier lässt sich das Protein auf das Finden und Schneiden von DNA-Stellen programmieren, die zum Beispiel Krankheiten verursachen.

Die Forschung wird revolutioniert

„Man kann mit der CRISPR/Cas-Methode eigentlich jeden biologischen Forschungsbereich revolutionieren. Jeden Tag wird eine neue Anwendung entdeckt", erläuterte André Cohnen. So lassen sich damit zum Beispiel ganz neue Targets – also Zielmoleküle für die Therapie einer Erkrankung – finden. „Die Methode hat einen massiven Einfluss auf die Art, wie Forschung funktioniert, egal ob im Pharma- oder Agrar-Bereich. Sie beschleunigt Prozesse enorm."

Momentan arbeiten die Pharmaunternehmen nach Schätzung von Experten an 1.000 bis 2.000 verschiedenen Gentherapien, in der Onkologie, aber auch gegen seltene Erkrankungen, die heute nicht oder nur schwer behandelt werden können. Rund 6 Prozent der Menschheit sind von einer der, Schätzungen zufolge, bis zu 6.000 monogenetischen Krankheiten entweder direkt oder indirekt betroffen. Also Erkrankungen, die durch den Defekt in einem einzelnen Gen hervorgerufen werden. Sie sind das ideale Ziel für CRISPR/Cas-Therapien.

Schwere Erkrankungen heilen

Im Folgenden berichtete Dr. Peter Nell über mögliche CRISPR/Cas9-basierte Therapien für Patienten mit schweren genetischen Erkrankungen. Der Chemiker leitet den Bereich Strategie & Business Development bei Casebia, dem gemeinsamen Genome-Editing-Start-up von Bayer und CRISPR Therapeutics in den USA. „Unser Ziel bei Casebia ist es, solche Krankheiten wie die Hämophilie, also die Bluterkrankheit oder bestimmte Augenerkrankungen nicht mehr nur zu behandeln, sondern möglichst auch zu heilen." Dabei handelt es sich zwar teilweise um sehr seltene Krankheiten, es sind aber aufgrund der großen Vielfalt sehr viele Menschen von genetischen Erkrankungen betroffen.

Generell gegen Erkrankungen wie Hämophilie, Typ-1-Diabetes, Aids und verschiedene Arten von Blindheit könnten CRISPR/Cas-Therapien erfolgreich eingesetzt werden. In einigen Fällen könnte die Genschere eine Alternative zu einer Knochenmarktransplantation sein, wenn keine passenden Spender gefunden werden. „Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis es die ersten Nobelpreise für Forscher auf dem Gebiet CRISPR gibt", ist Peter Nell überzeugt.

Baylab-Lehrerfortbildung zum „Genome Editing“ in Berlin

Biotechnologie in der Landwirtschaft – nur in Europa unbeliebt

Dr. Michael Metzlaff von Bayer Corporate Innovation and R&D in Leverkusen erklärte, wie CRISPR/Cas dazu beitragen kann, gesunde und ertragsstarke Pflanzen zu züchten. „Die Technik ist die gleiche, nur die Patienten sind andere“, so der Pflanzengenetiker. Doch obwohl sich Pflanzen, die mit Hilfe von CRISPR/Cas gezüchtet wurden, nicht von welchen unterscheiden, die auch auf natürlichem Wege hätten entstehen können, wird die Methode in der EU als Gentechnik eingestuft, was den Anbau von mit CRISPR/Cas modifizierten Pflanzensorten in Deutschland nahezu unmöglich macht.

Dabei ist der Bedarf an neuen Züchtungen groß: Nur rund drei Prozent der Erdoberfläche stehen für die Landwirtschaft zur Verfügung. Gleichzeitig erschwert der Klimawandel den Anbau und immer mehr Menschen müssen ernährt werden. „Mit Biotechnologie können wir zum Beispiel das Potential alter Sorten und ihre positiven Eigenschaften in heutigen Kulturpflanzen wieder aktivieren“, so Michael Metzlaff. „Sorten, die weniger Stickstoff-, Kalium- und Phosphordüngung oder weniger Wasser benötigen, wären zudem ausgesprochen gut für die Umwelt.“ Immerhin werden schon heute 70 Prozent des Frischwassers weltweit von der Landwirtschaft genutzt.

Genveränderungen bieten vielfältige Chancen

Ein Forschungsprojekt beispielsweise versucht, die Gene der Wildkartoffeln, die vor Kartoffelfäule schützen, für gebräuchliche Kartoffelsorten zu nutzen. „Die Chancen sind gewaltig“, ist Michael Metzlaff überzeugt. „Nicht umsonst forderten kürzlich 119 Nobelpreisträger in einem offenen Brief an Politik und Umweltschutzorganisationen, endlich damit aufzuhören, die grüne Biotechnologie zu ächten.“

Das sieht auch Dr. Samuel Kroll so, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln. „Die Auswirkungen des Klimawandels sind nun auch in Deutschland zu spüren. In der Landwirtschaft gab es diesen Sommer in einigen Regionen bis zu 50 Prozent Ertragseinbußen.“

Die Herausforderungen würden eher noch zunehmen: Dürren, Überflutungen, zunehmender Nahrungsmittelbedarf bei weltweit begrenzter Anbaufläche, das Abholzung von Wäldern zur Gewinnung neuer Ackerflächen, Bodenerosion, der Anbau von Monokulturen, der Aufbau von Resistenzen und der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und Dünger seien Themen, über die sich die Landwirtschaft dringend Gedanken machen müsse. CRISPR/Cas sei eine mögliche Lösung – weil die Methode die Entwicklung von Pflanzen, die den neuen Gegebenheiten standhalten, extrem beschleunigen könne.

Ökolandbau und Genoptimierung schließen sich nicht aus

„Das Ziel von genetischen Veränderungen sind Verbesserung von Ertrag, Qualität und Nachhaltigkeit“, fasst Samuel Kroll zusammen. Dabei sieht er die Methode als schneller und präziser als die klassische Gentechnik an. „Grundsätzlich sind Mutationen völlig natürlich. Bei Genom-Editierung entstehen wesentlich weniger zufällige Mutationen, die unerwünschte Nebenwirkungen haben können, sondern man stärkt die Pflanze ganz gezielt.“

So lassen sich beispielsweise Ernteausfälle durch Mehltau bei Weizen und beim Wein, wie in Forschungsprojekten gezeigt, verhindern. „Dazu musste man bisher bis zu zwölf Mal im Jahr Pflanzenschutzmittel sprühen. Seit Längerem kennt man Gene im Weizen und Wein, welche man ausschalten kann, um die Pflanze resistent gegen Mehltau zu machen. In China ist solch ein resistenter Weizen bereits anbaufähig.“ Auch Zitrusfrüchte, Gurke, Mais, Reis und Getreide wurden in anderen Ländern bereits erfolgreich mit CRISPR/Cas optimiert, zunächst im Labor. Die erste Zulassung in den USA wird demnächst erwartet: es wird eine genoptimierte Mais-Sorte sein, die besonders stärkehaltig ist.

Die weitere Forschung könnte glutenfreien Weizen oder Gemüsesorten mit mehr Nährstoffen und intensiverem Geschmack ermöglichen. Auch die Kombination von Ökolandbau und CRISPR/Cas ist nach Meinung von Samuel Kroll denkbar. „Im ständigen Rüstungswettlauf zwischen Schädlingen und Pflanzen, könnte man Pflanzen einen entscheidenden genetischen Vorteil verschaffen und das bei sinkender Entwicklungsdauer und -kosten. Dadurch können wir wieder eine erhöhte Pflanzendiversität in der Landwirtschaft nutzbar machen und auch kleine Züchter-Betriebe können es einsetzen. Auch im Naturschutz kann CRISPR/Cas zum Einsatz kommen. So wird zum Beispiel daran geforscht bedrohte Pflanzenarten, wie die amerikanische Kastanie, resistent gegen eingeschleppte Krankheiten zu machen.“

Vielen Dank an die hervorragenden Referenten Peter Nell (Casebia Therapeutics, San Francisco), André Cohnen (Protein Engineering bei Bayer), Samuel Kroll (Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Köln) und Michael Metzlaff (nicht im Bild; Bayer Innovation).