Aufgaben: Die Anwendungen der Biotechnologie

Nennen Sie zwei Anwendungen der Biotechnologie im Bereich der Gesundheit und erklären Sie kurz, worin jede besteht.

In Kläranlagen wirken Bakterien und andere Mikroorganismen mit. Erklären Sie, welche Rolle sie bei der Abwasserreinigung spielen.

Was ist Gentherapie? Nennen Sie ein Beispiel für eine Krankheit, die mit dieser Strategie behandelt werden soll, und erklären Sie das zugrunde liegende Prinzip.

Der Bt-Mais enthält ein Gen des Bakteriums Bacillus thuringiensis, das ein insektizides Toxin produziert. Nennen Sie zwei Vorteile dieser transgenen Kulturpflanze und zwei Risiken oder Kritikpunkte, die ihr zugeschrieben werden.

Das Schema fasst in vier nummerierten Schritten zusammen, wie heute Humaninsulin gewonnen wird. Erklären Sie, was in jedem Schritt geschieht, und begründen Sie, welche Vorteile diese Methode gegenüber der Gewinnung von Insulin aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen oder Rindern bietet.

Die Bioremediation setzt Mikroorganismen ein, um Kohlenwasserstoff-Verschmutzungen zu beseitigen. Erklären Sie, worin diese Methode besteht und welche Bedingungen gegeben sein müssen, damit die Mikroorganismen den Schadstoff effektiv abbauen.

Bei der Entwicklung eines mRNA-Impfstoffs gegen ein behülltes pathogenes Virus muss das Forschungsteam mehrere physiologische und zelluläre Hindernisse überwinden:

1. a) Würde freie mRNA direkt in den Blutkreislauf injiziert, würde sie innerhalb von Minuten abgebaut und könnte die Zellmembran nicht durchdringen. Begründen Sie, welche biologischen (molekularen und elektrostatischen) Barrieren ihren Eintritt verhindern, und erklären Sie, wie die Verpackung in Lipid-Nanopartikel dieses Problem löst.
2. b) Beschreiben Sie, welches Zellorganell die mRNA im Zytosol der Wirtszellen translatiert, und widerlegen Sie die falsche Behauptung, „mRNA-Impfstoffe können das Genom des Patienten dauerhaft verändern“, indem Sie zwei biologische Argumente anführen, die auf dem Fluss der genetischen Information und der Kompartimentierung der Zelle beruhen.
3. c) Vergleichen Sie die Sicherheit dieses Impfstoffs mit der eines klassischen Lebendimpfstoffs aus abgeschwächten Viren bei einer Person mit schwerer Immunschwäche: Sagen Sie voraus, welches Risiko einer Rückmutation oder krankmachenden Vermehrung der abgeschwächte Impfstoff birgt, das beim mRNA-Impfstoff überhaupt nicht besteht, und begründen Sie Ihre Überlegung.

Bei einer forensischen Untersuchung wird ein winziger Blutfleck auf der Kleidung eines Opfers gefunden (Probe). Die Polizei befragt zwei Verdächtige (S1 und S2). Zugleich fordert in einem parallelen Zivilverfahren eine Frau (M) von S1 die Anerkennung der Vaterschaft für ihr Kind (H). Das Labor analysiert drei Loci von Short Tandem Repeats (STR):

1. a) Interpretieren Sie die forensischen Ergebnisse: Kann einer der Verdächtigen ausgeschlossen werden? Erlaubt diese Übereinstimmung die Aussage mit absoluter Sicherheit von $100\ \%$, dass der nicht ausgeschlossene Verdächtige der Täter ist? Begründen Sie Ihre Antwort unter Berücksichtigung der statistischen Wahrscheinlichkeit und der Notwendigkeit, weitere Loci zu analysieren.
2. b) Analysieren Sie die Daten des Vaterschaftstests: Leiten Sie die väterlichen Allele ab, die das Kind (H) zwingend erhalten haben muss, indem Sie seinen Genotyp mit dem seiner Mutter (M) vergleichen. Beurteilen Sie daraufhin begründet, ob S1 der biologische Vater von H sein kann.
3. c) Erklären Sie auf chromosomaler und molekularer Ebene, was es bedeutet, wenn eine Person an einem STR-Locus zwei verschiedene Werte zeigt statt nur einen (wie am Locus 3 bei S1), und welche analytische Methode es ermöglicht, diese Allele nach der Vervielfältigung per PCR zu unterscheiden.

Ein biomedizinisches Konsortium schlägt vor, die CRISPR/Cas9-Technologie an lebensfähigen menschlichen Zygoten anzuwenden, um vor der Einpflanzung des Embryos eine autosomal-dominante Mutation zu korrigieren, die für die Huntington-Krankheit verantwortlich ist.

1. a) Beschreiben Sie die beiden unverzichtbaren molekularen Komponenten des CRISPR/Cas9-Systems, die in die Zygote mikroinjiziert werden müssen, und erklären Sie, wie sie zusammenwirken, um die Ziel-DNA-Sequenz zu erkennen und präzise zu schneiden.
2. b) In den Versuchen werden zwei große technische Probleme festgestellt: Schnitte außerhalb des Zielorts (Off-Target-Effekte) und genetischer Mosaizismus (einige Zellen der Blastozyste tragen die Veränderung, andere behalten das ursprüngliche, unveränderte Allel). Begründen Sie auf molekularer Ebene und im Hinblick auf die Embryonalentwicklung, warum Mosaizismus entsteht, und sagen Sie voraus, welche gesundheitlichen Folgen er für das geborene Individuum hätte.
3. c) Unterscheiden Sie genau zwischen somatischer Genomeditierung und Keimbahn-Genomeditierung. Begründen Sie wissenschaftlich, warum die Veränderung der Keimbahn in Embryonen in der internationalen Gemeinschaft auf viel größere ethische und rechtliche Ablehnung stößt als die Gentherapie an somatischen Zellen eines erwachsenen Patienten.

Themenprojekt. Übernehmen Sie die Rolle eines wissenschaftlichen Beraters und erstellen Sie einen Fachbericht über die tatsächlichen Auswirkungen der Biotechnologie auf unser Umfeld.

1. Beschaffung amtlicher Daten: Rufen Sie die Website des spanischen Ministeriums für Landwirtschaft, Fischerei und Ernährung (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, MAPA) auf und tragen Sie die Anbaufläche (in Hektar) von gentechnisch verändertem Mais ($MON\,810$) in Spanien in den letzten drei verfügbaren Jahren zusammen.

2. Grundlagen der Gentechnik: Erstellen Sie ein erklärendes Schema des biotechnologischen Verfahrens zur Herstellung dieses GVO und beschreiben Sie dabei den Einsatz von Restriktionsenzymen, Klonierungsvektoren, DNA-Ligase sowie die Methoden des Gentransfers und der Genintegration.

3. Analyse der Anwendungen: Vergleichen Sie diese landwirtschaftliche Anwendung mit einer medizinischen (wie der Gewinnung von rekombinantem Insulin oder einer Therapie mittels $CRISPR/Cas9$) und berechnen Sie die prozentuale Veränderung der Anbaufläche mit einer Nachkommastelle (zum Beispiel $+2,5\,\%$).

4. Bioethisches Gutachten: Verfassen Sie einen abschließenden begründeten Vorschlag, der die ökologische Nachhaltigkeit, den Genfluss auf Wildarten und die sozioökonomischen Auswirkungen der Nutzung biotechnologischer Patente bewertet.

Bewertet werden:

• Begriffliche Genauigkeit bei der Beschreibung der Werkzeuge und Schritte der rekombinanten DNA-Technik.

• Sorgfalt bei der Beschaffung, tabellarischen Darstellung und prozentualen Auswertung der amtlichen Daten des MAPA.

• Kritische und zusammenhängende Argumentation zu den landwirtschaftlichen und biomedizinischen Anwendungen aus bioethischer Perspektive.