THEMEN DER ZEIT BERICHTE
Horizontaler Gentransfer
Wie Bakterien Kopien ihres Erbgutes in der Umwelt freisetzen
Global betrachtet, sind Freisetzungen von genetisch verän- derten Organismen längst Alltag. Seit 1987 wurden alleine in den Mitgliedsstaaten der „Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit"mehr als 1 500mal Pflanzen oder Bakte- rien freigesetzt, die ein Gen einer anderen Art erhalten hat- ten. Und seit Sommer 1994 liegt die „Gen-Tomate" des US- Konzerns Calgene in amerikanischen Supermärkten zum
freien Verkauf. Gleichzeitig hat die Diskussion zwischen Gen- technik-Gegnern und Befürwortern, ob solche transgenen Organismen ein höheres Risiko für die Umwelt bedeuten, weil sie ihre Gene an Bakterien oder auch höhere Arten un- kontrolliert weitergeben könnten, eine klaffende Wissens- lücke offenbar werden lassen: Kaum etwas ist darüber bekannt, wie sich Erbsubstanz in der „Umwelt" verhält.
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och zumindest gibt es erste Beobachtungen, über die internationale Experten in Sa- chen „Biologischer Sicher- heit" auf zwei Tagungen in Bielefeld und Mainz berichtet haben. Im Mit- telpunkt stand der sogenannte hori- zontale Gentransfer, der Austausch von Erbgut zwischen verschiedenen Lebewesen und Arten, ohne daß Se- xualität im Spiel ist. Zumindest was Bakterien angeht, gehen die meisten internationalen Experten heute da- von aus, daß „horizontaler Transfer überall geschieht, wo sich Bakterien aufhalten": Also nicht nur im Boden, sondern auch im Darm von Tieren, auf Blattoberflächen oder in See-, Fluß- oder Grundwasser.Auch das letztes Jahr genehmigte Freisetzungsexperiment des Mikro- biologen Alfred Pühler von der Biele- felder Universität gilt diesem hori- zontalen Gentransfer. Seine Gruppe hat im Herbst Knöllchenbakterien auf einem Gelände bei Braunschweig ausgebracht, denen das Gen für das Leuchtenzym des Glühwürmchens eingefügt worden war: Gibt man eine Chemikalie hinzu, lassen sich alle Bakterien, die im Besitz dieses Gens sind, ganz einfach anhand ihres Leuchtens erkennen. Zudem will man auch die Überlebensfähigkeit eines geschwächten Sicherheitsstammes verfolgen.
Aber auch bei höheren Organis- men bis hin zum Menschen wird heute nicht mehr ausgeschlossen, daß Erb- gut unkonventionelle Wege gehen
könnte — beispielsweise im Darm. Im- merhin verspeisen wir auch ohne Gen- technik mit Joghurt, Brot, Obst, Gemüse und Fleisch jeden Tag etwa ein Gramm der Erbsubstanz DNA — über deren Verhalten der Kölner Viro- loge Walter Doerfler genaueres wissen wollte. Um das Schicksal von DNA während der Darmpassage leichter verfolgen zu können, hatte man Doerflers Labormäusen gereinigte Erbgutmoleküle eines Bakterienvirus in die Nahrung gemischt. Nach dem Füttern schieden die Nager bis zu sie- ben Stunden lang mit ihrem Kot er- staunlich gut erhaltene Reste dieser Test-DNA aus. Viele der DNA-Ket- ten waren von den Verdauungsen- zymen des Darms keineswegs voll- ständig in einzelne Kettenglieder zer- legt, sondern nur grob zerrissen wor- den. Ganze zwei bis vier Prozent des verfütterten Erbmaterials fanden die Kölner Forscher relativ intakt im Mäusemist. Die größten Fragmente, die sie im Kot identifizieren konnten, hatten immer noch ein Viertel der Ur- sprungslänge — vollständige Gene hat- ten also die Darmpassage unbeschadet überstanden. Offenbar, das demon- strieren die Versuche, ist DNA keines- wegs ein hochempfindliches Material, das nur geschützt im Inneren der Zel- len überlebt, sondern auch außerhalb von Zellen außerordentlich stabil.
„DNA ist überall", so Juan Lö- pez-Pila vom Berliner Institut für Wasser-, Boden- und Lufthygiene,
„sie fliegt sogar durch die Luft." Die- se — unfreiwillige — Erfahrung machen
die meisten Genforscher, seitdem sie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) in ihren Labors einsetzen.
PCR-Experimente können schon durch ein einziges „falsches" Erbgut- Molekül wertlos werden. Und das ge- schieht oft genug: Immer wieder stellt sich heraus, daß DNA-Moleküle, mit denen der eine Forscher expe- rimentiert, über die Lüftung in die Versuchsgefäße eines Kollegen trans- portiert werden.
Erbgut wird aktiv ausgeschieden
„Erbsubstanz-Verschmutzung"
ist allerdings nicht auf Gentech- niklabors beschränkt, sondern offen- bar eine normale Erscheinung unse- rer Umwelt. Analysen zeigen, daß das Wasser der Meere, Seen, Flüsse und Kläranlagen ein Quantum an freiem Erbgut enthält. Zum Teil stammt es aus abgestorbenen Organismen, de- ren Erbgut sich im Wasser löst oder an Schwebepartikel bindet.
Manche Bakterien, schildert Wolfgang Wackernagel, Gentechni- ker in Oldenburg, scheiden sogar ak- tiv Kopien ihres Erbguts in die Umge- bung aus, fast so wie Hunde ihr Re- vier mit Urin markieren. Dabei ist freie DNA in Wasser und Boden au- ßerordentlich langlebig. Angeheftet an die Oberfläche von Ton- oder Sandpartikeln ist sie der Zerstörung, durch Enzyme entzogen und über- steht hier mehrere Monate. Eine stän- Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 13, 31. März 1995 (31) A-929
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dig wachsende Liste von Bakterien ist zudem in der Lage, solche Erbgutfä- den von den Bodenpartikeln wie Spa- ghetti in sich aufzusaugen. Im Inneren der Bakterienzellen wird das Erbgut entweder „recycled", indem Enzyme es in seine Bausteine zerlegen, oder es wird en bloc in das Bakterienerbgut eingebaut. Dieser Einbau gibt den Bakterien die Möglichkeit, in der auf- genommenen DNA verschlüsselte Ge- ne auszuprobieren. Auf diese Weise, so vermutet Wackernagel, betreiben Bakterien seit Milliarden von Jahren in Wasser und Boden eine lebhafte Gen-Tauschbörse. Gelegentlich, da- von gehen einige Experten aus, wird vermutlich auch das Erbmaterial verrottender Tiere und Pflanzen in den Handel mit einbezogen.
DNA passiert die Darmwand
Mikrobiologen stoßen ständig auf neue verblüffende Wege des hori- zontalen Gentransfers. Praktisch alle Bakterien besitzen neben ihrem Haupterbgut noch eine genetische Zusatzausstattung in Form klei- ner DNA-Ringe, der sogenannten Plasmiden. Ein ganzes Arsenal dieser Zusatzgenome ist darauf spezialisiert, Kontakt zu einem anderen Bakterium herzustellen, die beiden durch eine Pore miteinander zu verbinden und in einer Art Bakteriensex nicht nur eine Kopie des Plasmids, sondern auch Teile des Hauptgenoms in die andere Zelle hinüber zu transportieren.
Zum Transfer von Genen kann es aber auch unfreiwillig kommen, wenn Bakterien durch Viren infiziert wer- den. Auch Bakterienviren sind zwar in erster Linie an der Weitergabe ih- res eigenen Erbguts interessiert, aber sie sind nicht perfekt: Immer wieder werden beim Zusammenbau der Vi- rushüllen fälschlicherweise Teile des Wirtsgenoms verpackt. So einge- schlossen sind die Gene nicht nur ausgesprochen gut gegen Zerstörung geschützt, sondern zudem auch in der Lage, andere Bakterien zu „infi- zieren". Vor allem diesen Mechanis- mus haben die Mikrobiologen bislang offenbar unterschätzt. Ohnehin ver- muten die Forscher, daß sie bislang höchstens zehn Prozent der Bo-
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denbakterienarten im Labor züchten und untersuchen können. Über die große Mehrzahl der Bodenmikroben
— geschweige denn ihre Parasiten — wissen sie also schlicht gar nichts.
Gleiches gilt für ihre Wechselwirkun- gen mit Pilzen, Amöben, niederen Tieren wie Würmern, Schnecken und Insekten und mit Pflanzen.
Je nach genetischer Ausstattung, Verwandtschaft und Lebens- bedingungen der Bakterien findet der Austausch von Erbgut mit extrem unterschiedlicher Häufigkeit statt.
Doch angesichts der astronomischen Zahlen, in denen Bakterien auftreten
— jedes Gramm Erde enthält bereits etwa eine Milliarde —, relativieren sich auch extrem kleine Wahrschein- lichkeiten recht schnell.
Bemerkenswerterweise ist die Fähigkeit, freie DNA aufzunehmen, keineswegs auf Mikroorganismen be- schränkt. Sogar menschliche Zellen sind dazu in der Lage. Während die meisten Gentherapeuten an der Ent- wicklung komplexer Vektoren arbei- ten, um Gene gezielt in die Zellen ei- nes Patienten einzuschleusen, gehen einige den denkbar einfachsten Weg:
Sie spritzen reine DNA in einen Mus- kel des Patienten. Muskelzellen neh- men, wie man vor einigen Jahren ver- blüfft festgestellt hat, die um sie her- um treibende DNA nicht nur frei- willig auf, sondern stellen sogar die darauf verschlüsselten Proteine her.
Amerikanische und europäische For- scher arbeiten bereits an der Entwick- lung verschiedener Virus-Impfstoffe auf der Basis solcher Injektionen von
„nackter DNA".
Die Biologen haben noch keine Ahnung, welche natürliche Be- deutung diese Fähigkeit zur Aufnah- me von DNA haben könnte. Doerfler vermutet, daß die Aufnahme fremden Erbguts in Zellen unseres Körpers in jedem von uns geschieht — jeden Tag.
In der Tat enthält menschliches Blut eine schwankende Menge freier Erb- substanz. Der größte Teil stammt wohl aus abgestorbenen Körperzel- len, doch ein Teil könnte, das legen weiterführende Mäuseexperimente der Kölner Biologen nahe, auch aus der Nahrung stammen. Zwei bis vier Stunden nach Verfütterung tauchte nämlich ein Bruchteil der Test-DNA im Blut der Labornager auf: Mehrere
Millionen Fragmente bis zu einem Siebtel der Ausgangslänge hatten of- fensichtlich die Darmwand passiert und waren von weißen Blutzellen aufgefischt worden. Unter dem Mi- kroskop zeigte sich, daß einige dieser Zellen das Viruserbgut sogar bis in ihren Zellkern transportiert hatten, wo es sich an das zelleigene Erbgut anlagerte. Ob es dort stabil eingefügt wird, ist noch nicht klar; zumindest war sechs bis acht Stunden nach der Verfütterung kein Viruserbgut mehr im Blut nachweisbar
Derweil hat die Gruppe bereits mit Untersuchungen an trächtigen Hamsterweibchen begonnen, um zu sehen, ob Erbgut aus dem Darm der Mutter auch in Zellen des Foetus ge- langen kann. Das hätte weitreichende Konsequenzen: Denn sollte eine frühe Foetuszelle solches Erbgut inte- grieren, dann könnte das Genmateri- al später sogar in Ei- oder Sa- menzellen des Tieres wiederzufinden sein — also vererbt werden.
Waffen gegen Gen-Bombardement
Solche Beobachtungen deuten an, daß die natürliche Ausbreitungs- fähigkeit von Erbgut lange unter- schätzt worden ist: DNA ist allgegen- wärtiger Teil unserer Umwelt. Paral- lel zu dieser Erkenntnis hat sich denn auch ein Wandel im Sicherheitsden- ken der Gentechniker vollzogen. Auf den ersten Blick mag es überraschend klingen, aber die Forscher folgern ge- rade aus der Einschätzung, daß hori- zontaler Gentransfer ein weitver- breitetes und völlig natürliches Phä- nomen ist, daß die Freisetzung von transgenen Organismen kein prinzipi- ell neues Risiko in sich birgt. Wacker- nagel: „Wenn man davon ausgeht, daß diese Fähigkeit während der ganzen Evolutionsgeschichte der Er- de bestanden hat, muß man auch an- nehmen, daß Bakterien schon immer ausreichende Gelegenheit hatten und auch noch haben, DNA jeder Abstammung aufzunehmen und her- auszufinden, ob diese DNA für sie von Nutzen oder von Schaden ist."
Auch Doerfler geht davon aus, daß al- le Lebewesen durch Krankheits- erreger und Nahrung unentwegt ei- A-930 (32) Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 13, 31. März 1995
Zeichnung: Jörg Spielberg, Kempten THEMEN DER ZEIT
BERICHTE/DIE GLOSSE
Neue und zum Teil alte Seuchen werden wieder aktuell, zum Beispiel im Gefolge von AIDS, der bisher nicht heilbaren Immunschwäche- krankheit. Ihr folgt eine Renaissance altbekannter Krankheitsbilder fast zwangsläufig wie Tuberkulose, Syphi- lis, aber mit neuen und uns zum Teil nicht mehr geläufigen Varianten.
Korruption = Bestechlichkeit und ähnliches war zu manchen Zeiten bei uns in Mitteleuropa weit verbrei-
tet. Aber mit Einkehr sozialer Ord- nungssysteme und Sicherheiten, einer einigermaßen gesicherten, verläßli- chen Demokratie, Staatsverwaltung und Beamtenschaft entfiel der Zwang, seine Geschäfte oder sein Le- ben nur durch „Bakschisch", was aus dem Persischen kommt und „Gabe"
heißt, fördern zu können.
Was sonst nur aus den „Märchen von Tausendundeiner Nacht" und de- ren Anrainern hier bekannt war, wird heute offensichtlich auch bei uns wie- der Mode und breitet sich fast seu- chenhaft aus.
Vielleicht liegt es daran, daß das bürokratische Gestrüpp inzwischen so dicht und undurchdringlich ist, daß es in normaler Weise und Zeit nicht mehr zu bewältigen ist. Aber auch die Ansprüche des einzelnen an die Le- bensgenußerwartung lassen sich auf gewohnte und herkömmliche Art durch reguläre Einkommen nicht be- friedigen. Überzogener Lebensge- nuß, Hedonismus genannt, ist der neue Götze, der angebetet wird.
Korruption hat viele Facetten.
Wir sollten es uns nicht so leicht ma-
chen, sie nur dort zu suchen, wo Geld oder geldwerter Vorteil im Spiele sind. Es gibt vielerlei Formen dieses Übels, wobei die Wirkung mancher Beziehungsgeflechte durchaus schwererwiegend sein kann als die Geldsummen, die irgendein der Ver- führung erlegener Beamter mit großem Titel, aber mäßigem Einkom- men, dankbar entgegennimmt.
Das Merkwürdige bei der neuen Korruption ist aber, daß die vielen kleinen Bestechlich- keiten des Alltags von der Gesellschaft als fast normal hinge- nommen werden und der damit begangene Betrug als Kavaliers- delikt eingeschätzt wird. Das fängt bei der Regulierung ver- meintlicher Au- toschäden an, geht zu Insider-Geschäf- ten selbst prominen- ter Gewerkschafts- funktionäre oder der Fast-Toleranz von Ladendiebstählen bis zu falscher Spesenabrechnung ho- her Regierungsfunktionäre.
Und Hand aufs Herz: Auch die Ärzte sind davon nicht frei, wenn man an die Möglichkeiten denkt, die sich bei der computergestützten Ausnut- zung der Gebührenordnung ergeben.
Wer ist denn bereit, den häufig in den Praxen vorkommenden unbegründe- ten Wünschen der Patienten auf Lei- stungen ihrer Krankenversicherung immer energisch Widerstand zu lei- sten? Abgesehen von der Beruhi- gungspille, unbedingt ein guter Arzt sein zu wollen, steht doch die Furcht daneben, einen Patienten an die Kon- kurrenz zu verlieren.
Nicht zu Unrecht wird die Kor- ruption als Verfall der Sitten bezeich- net. Da liegt wohl das gesellschaftli- che Problem, an dem wir alle unsere Teilschuld tragen, aber auch aufgeru- fen sind, einen neuen Gemeinsinn zu entwickeln — ganz gleich, wo wir ste- hen und was wir tun. Anderenfalls wird sich die Korruption seuchenartig ausbreiten, eine kaum zu heilende Krankheit für die Gesellschaft. VP nem Bombardement mit „fremden"
Erbgut ausgesetzt sind und im Laufe der Jahrmillionen Wege gefunden ha- ben, sich gegen diese „genetischen Nadelstiche" zur Wehr zu setzen.
Ob ein Organismus ein ökologi- sches Risiko bedeutet, hängt nach die- ser Meinung nicht von der Art ab, wie ein Organismus ein Gen erhalten hat, sondern alleine von dem Charakter des Gens, das durch die freigesetzten Organismen in die Gen-Börse einge- schleust wird. Nur dann gilt ein Gen- transfer als problematisch, „wenn das benutzte Gen", so Horst Backhaus von der Biologischen Bundesanstalt in Braunschweig, „seinen Besitzern ei- nen potentiellen Selektionsvorteil ver- schafft". Jedes in der Umwelt vorhan- dene Gen, so die Ansicht der Ge- netiker, wird auf seine „Tauglichkeit"
ausgetestet. Aber nur wenn sein Besitz einem Organismus einen Vorteil für das Überleben bietet, dann, davon ge- hen die Forscher aus, wird sich dieser Organismus (und das Gen) auf Kosten anderer Arten ausbreiten. Die Auf- gabe, vor einer Freisetzung eines transgenen Organismus für das
„neue" Gen eine Abschätzung abzu- liefern, ob und für welche Arten es ei- nen Selektionsvorteil bedeuten könn- te, ist freilich alles andere als trivial.
Selektionsdruck
Wie die rapide Ausbreitung anti- biotikaresistenter Krankheitserreger zeigt, kann sich der Vorteil eines Gens zudem schnell ändern. Die Gene für diese Resistenzen sind keineswegs neu: Bereits seit Millionen von Jahren sind sie ein Teil des Waffenarsenals, mit dem sich Bodenbakterien gegen den Giftangriff ihrer Antibiotika pro- duzierenden Nachbarn wehren. Aber erst der moderne Selektionsdruck durch die Verwendung der Anti- biotika in Medizin und Tierhaltung hat dazu geführt, daß diese Resisten- zen sich in wenigen Jahrzehnten in vielen Krankheitserregern durchge- setzt haben. Gelegenheiten zum Gen- transfer gab und gibt es genug: Viele menschliche Krankheitserreger füh- len sich auch in Wasser und Boden ausgesprochen wohl und stehen hier in ständiger Verbindung mit dem Genbasar der Natur. Klaus Koch
Neue Seuche: Korruption
Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 13, 31. März 1995 (33) A-931
