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Gentransfer zwischen Bakterien in der Natur

Teile der Erbsubstanz DNA, die eigentlich das Spezifische der verschiedenen Lebewesen bedingt, wandern auf mehreren Wegen selbst zwischen unterschiedlichen Bakterienarten, und zwar häufiger als früher angenommen. Erkenntnisse über diese Vorgänge können jedoch wiederum Risiken bei der Freisetzung gentechnisch veränderter Mikroorganismen begrenzen helfen.

In den frühen achtziger Jahren, als die Methoden zum Einbau fremder Gene in Bakterien immer ausgefeilter wurden, begannen manche Wissenschaftler auch deren Nutzung für Landwirtschaft und Umweltschutz zu erwägen. Mit speziellen neuen Fähigkeiten ausgestattet, so verhießen sie, könnten solche Mikroben beispielsweise Ölverschmutzungen beseitigen oder Nutzpflanzen vor Schädlingsfraß und Krankheiten bewahren sowie anderweitig zu mehr Ertrag verhelfen. Doch diese Vorhaben gerieten alsbald ins Kreuzfeuer der Kritik.
Damals wie heute bestand die Besorgnis, gentechnisch veränderte Bakterien könnten außer Kontrolle geraten oder das fremde Genmaterial in unvorhersehbarer Weise an andere Organismen weitergeben – ein als horizontaler Gentransfer bezeichnetes Phänomen (im Gegensatz zum vertikalen, der Vererbung an die Nachkommen). Davon befürchtete man womöglich nicht wieder gutzumachende Schadfolgen für lokale oder regionale Ökosysteme samt Mensch und Tier, im schlimmsten Falle sogar die Zerstörung der Biosphäre.
Zu jener Zeit gab es tatsächlich kaum irgendwelche gesicherten Erkenntnisse darüber, was mit freigesetzten genmanipulierten Bakterien geschehen würde und in welchem Maße ihnen eingeschleuste oder eigene Gene dazu neigen, auf artgleiche oder sogar artfremde Organismen überzugehen. So vermochten die Experten des neuen Forschungszweiges weder die ernsthaften, wenngleich spekulativen Bedenken zu zerstreuen noch den von Sensationsmedien verbreiteten Horrorszenarien überzeugend zu begegnen. Inzwischen hat sich das geändert, dank einer beispiellosen Zusammenarbeit zwischen Molekulargenetikern und Ökologen, die speziell Mikroorganismen in ihren natürlichen Lebensräumen untersuchen.
Bislang hat die US-Umweltschutzbehörde zumindest zwei genmanipulier-te Bakterienstämme für eine landwirtschaftliche Anwendung zugelassen. Dutzende von Freilandversuchen sowie die Grundlagenforschungen zum Gentransfer in natürlichen Lebensräumen weisen darauf hin, daß eine unkontrollierte Vermehrung der künstlich umgerüsteten Bakterien selbst unwahrscheinlich ist. Gewöhnlich sind diese relativ empfindlich und nicht behauptungsfähig, so daß sich selbst überlassene Populationen nach relativ kurzer Zeit auszusterben pflegen. Folglich werden ihnen oktroyierte Gene vermutlich nicht viel Gelegenheit finden, sich auszubreiten.
Unter gewissen Umständen jedoch ist ein Übergang fremder Erbsubstanz auf andere Bakterien und selbst auf höhere Organismen denkbar. Grundvoraussetzung für einen sicheren Freilandeinsatz genmanipulierter Mikroben ist es somit zu klären, welche Bedingungen bei welchen Bakterien den horizontalen Gentransfer begünstigen oder ihn umgekehrt unterbinden. Dem gehen nun verschiedene Arbeitsgruppen nach, darunter meine an der Staatsuniversität von Oklahoma in Stillwater. Mit fundierten wissenschaftlichen Kenntnissen könnte man dann für einen bestimmten Einsatz solche Stämme auswählen, die unter den Bedingungen am vorgesehenen Ort mit der geringsten Wahrscheinlichkeit anderen Organismen Erbmaterial übertragen; im Falle eines Sees etwa wären das welche, die in offenem Süßwasser nicht leicht Gene tauschen.
Zwar läßt sich noch nicht umfassend auflisten, welche Bakterienspezies sich für welche Freilandanwendung am besten eignen würde. Doch alles in allem weiß man inzwischen einiges über das natürliche Vorkommen der drei häufigsten Formen horizontalen Gentransfers, und darauf konzentriere ich mich hier.
Es sei jedoch erwähnt, daß die zunehmende Kenntnis der Umstände, die einen horizontalen Gentransfer begünstigen, für ein weiteres aktuelles praktisches Problem von Belang ist: die um sich greifende Antibiotika-Resistenz bakterieller Krankheitserreger. Wie sich gezeigt hat, übernehmen auch im menschlichen Körper Bakterien Gene von anderen Mikroben, selbst von artfremden, wobei oft Resistenzeigenschaften übertragen werden. Versteht man erst besser, wann und wie das geschieht, sollten sich Mittel und Wege finden lassen, solche Transfers zu blockieren.
Hinzu kommt ein interessanter theoretischer Aspekt: Da den jüngsten Erkenntnissen zufolge horizontale Gentransfers sich unter natürlichen Bedingungen häufiger als zunächst gedacht ereignen, könnten sie im Laufe der Evolution zu der großen genetischen Vielfalt heutiger Bakterien beigetragen haben. Manche Befunde deuten zudem darauf hin, daß Gene sogar zwischen den drei Urreichen des Lebens gewandert sind: so anscheinend von gewöhnlichen Bakterien (Eubakterien) zu Eukaryoten (Tieren, Pflanzen, Pilzen und Protozoen), mehr noch aber in Gegenrichtung, sowie von Eubakterien zu Archaeen (früher Archaebakterien genannt, die manches mit den Eubakterien, anderes mit den Eukaryoten gemein haben, in vielem jedoch völlig eigenständig sind). Das könnte somit eine Vielzahl von Lebensformen in ihrer Evolution beeinflußt haben.

Eine folgenreiche Angeltour

Bis zum Frühjahr 1976 war der horizontale Gentransfer in natürlichen Biotopen für mich kein Thema. Als Assistenzprofessor an der Universität von Tennessee in Knoxville und eingefleischter Genetiker ging es mir bis dahin bei meinen Forschungen nur darum herauszufinden, wie Zellen mittels ihres Erbmaterials funktionieren. Zwar war mir klar, daß gewisse Bakterien, wenn ausgereift, von Natur aus untereinander Gene übertragen können, doch war dies für mich nur insofern interessant, als sich damit eine praktikable Möglichkeit bot, im Labor fremde Gene für neue Merkmale in Versuchsbakterien einzuschleusen.
Meine Neugier weckte Gary Sayler, ein Universitätskollege, eines Samstagsnachmittags während einer Angeltour in unserem Boot. Der Spezialist für die Ökologie von Mikroorganismen fachsimpelte ein bißchen und fragte schließlich, in welchem Maße wohl genetische Austauschvorgänge zwischen Bakterien in dem See unter uns gerade stattfänden. Ich überlegte, daß die Zellen im Wasser relativ dünn verteilt sein müßten und folglich kaum miteinander in Kontakt kämen; deshalb schätzte ich die Transferrate als relativ niedrig ein. Doch Sayler beharrte auf genaueren Angaben, und ich mußte zugeben, mit den wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu den Freilandverhältnissen nicht sonderlich vertraut zu sein.
Überzeugt, umfangreiche Literatur zum Thema vorzufinden, ging ich am Montag darauf in die Bibliothek. Nach einigen Stunden Suchens war ich frustriert und enttäuscht – so gut wie nichts war bekannt.
Sayler hingegen war gerade deswegen guter Dinge: Wir könnten mit seiner eben erst entwickelten und noch zu erprobenden Untersuchungskammer diese Wissenslücke zu füllen beginnen und in unserem Angelsee die Transduktion – eine Form des horizontalen Gentransfers, die Bakterienviren vermitteln (Bild 1) – quantitativ erfassen. Das Behältnis bestand aus einer durchsichtigen Plastikröhre mit speziellen Filtern an den Öffnungen; deren feine Poren würden zwar Wasser, Nährstoffe und Viren passieren lassen, eingeschlossene Zellen aber in der Röhre zurückhalten. So wiesen wir im folgenden Herbst und Frühjahr schließlich erstmals nach, daß sich im freien Süßwasser Transduktionsvorgänge ereignen können.
Als wir unsere Ergebnisse 1978 veröffentlichten, fühlten wir uns denn auch als Pioniere, denen viele weitere Wissenschaftler auf das neuerschlossene Forschungsgebiet folgen würden. Doch zu jener Zeit war keine Institution, die Fördermittel zu vergeben hatte, von unserer Vision zu überzeugen. Das änderte sich erst 1985, als Bedenken über die Freisetzung genmanipulierter Bakterien laut wurden. Endlich konnten Sayler und ich – wie auch andere – beginnen, Versäumtes nachzuholen und das mögliche Ausmaß horizontalen Gentransfers in verschiedenen Lebensräumen zu ergründen.

Konjugation

Der erste dann eingehend untersuchte Modus, nach dem Bakterien außerhalb des Labors genetisches Material weitergeben könnten, war die Konjugation. Entdeckt hatten diesen Transfer-Mechanismus der Genetiker Joshua Lederberg und der Biochemiker Edward L. Tatum 1946 an der Yale-Universiät in New Haven (Connecticut): Zwei Stämme des Darmbakteriums Escherichia coli vermischten bei gemeinsamer Kultur über einen quasi sexuellen Vorgang bestimmte ihrer Eigenschaften; dabei werden, wie sich schließlich zeigte, kleine ringförmige DNA-Elemente übertragen, für die Lederberg 1952 den Begriff Plasmide prägte. (Beide Wissenschaftler erhielten 1958 gemeinsam mit dem damals am California Institute of Technology in Pasadena tätigen Genetiker George W. Beadle den Nobelpreis für Medizin.)
Das deutlich größere, ebenfalls ringförmige Bakterienchromosom kann – zumindest teilweise – bei Konjugationsvorgängen mit übertragen werden, allerdings nur unter äußerst seltenen Umständen. Während es unter anderem die für die Vermehrung seiner Zelle erforderlichen Gene enthält, tragen Plasmide beispielsweise außer Genen für ihre eigene Replikation und Weitergabe häufig welche, die speziell die Überlebenschancen des individuellen Bakteriums in widriger Umgebung erhöhen. Dazu gehören etwa Gene für Proteine, die Schutz vor Antibiotika verleihen, toxische Substanzen wie polychlorierte Biphenyle (PCBs) zerlegen oder gefährliche quecksilber- oder andere schwermetallhaltige Stoffe in weniger schädliche Formen überführen.
Aus historischen Gründen teilt man Bakterien in grampositive und gramnegative ein; letztere lassen sich nach einer bestimmten Anfärbung leicht wieder mit Alkohol entfärben (die Methode hat der dänische Pathologe Hans C. J. Gram 1884 entwickelt). Bei gramnegativen Bakterien wird die Konjugation in auffälliger Weise eingeleitet: Eine künftige Spenderzelle bildet mindestens ein langes, dünnes Anhängsel aus; dieser Pilus verankert sich an einer Empfängerzelle, die einen passenden Rezeptor trägt, verkürzt sich dann und zieht so die beiden Individuen aufeinander zu (Bild 2, linke Hälfte).
Meist strecken viele Spender annähernd gleichzeitig ihre Pili aus und können sich zu mehreren demselben Empfänger anheften, so daß kleine Zellaggregate entstehen. Über Brücken oder Poren, die sich dann bilden, gelangen Plasmide in die Empfängerzelle. Ein Strang der doppelsträngigen Plasmid-DNA wird dazu geöffnet und zum Transfer wie ein Garnfaden regelrecht abgerollt; Spender und Empfänger müssen schließlich nur noch den ihnen jeweils fehlenden Strang gemäß der Vorlage ergänzen (Bild 2c).
Manche Formen von Pili sind lediglich bei Wachstum auf festem Untergrund ein wirksames Lasso, andere auch in flüssigen Medien. Entsprechend wäre bei dem beabsichtigten Einsatz eines genmanipulierten gramnegativen Bakteriums in Gewässern tunlichst eine Spezies zu wählen, deren Pili allein zur Aggregation auf festen Oberflächen taugen (das wäre zumindest eine Vorsichtsmaßnahme gegen Genübertragung per Konjugation im freien Wasser).
Grampositive Bakterien hingegen nehmen Kontakt ohne Pili auf. Als Vorspiel gewissermaßen gibt eine aufnahmebereite Zelle Substanzen ab, die potentielle Spender anregen, ihrerseits bestimmte Proteine zu erzeugen. Solche oft als Verklumpungsfaktoren bezeichneten Moleküle führen die Partner zusammen. Wenn sich die Zellen dann aneinanderlagern, bilden sie die für den DNA-Transfer nötigen Verbindungsporen aus. Falls man also ein genmanipuliertes grampositives Bakterium in einem Umfeld freisetzen will, das bereits andere grampositive beherbergt, sollten die Zellen zusätzlich so verändert sein, daß keine Verklumpungsfaktoren mehr entstehen. Dadurch dürfte sich dort das Risiko eines Gentransfers vermindern.
Im allgemeinen übergeben grampositive und gramnegative Bakterien jeweils nur an Vertreter ihrer eigenen Gruppe Plasmide, obwohl beide Sorten in aquatischen und terrestrischen Biotopen un-ter Umständen eng zusammenleben. Bei vielen beschränkt sich die Konjugation sogar ausschließlich auf Artgenossen. Allerdings gibt es auch geradezu promis-ke Plasmide, die ihre Zelle veranlassen können, sie zwischen weit entfernten Arten zu übertragen: zwischen grampositiven und -negativen Bakterien und selbst von dort aus auf Hefen oder Pflanzen. Deshalb wären Bakterien mit solchen Plasmiden für den Einsatz außerhalb des Labors eine schlechte Wahl.

Schlüsselstudien im Freiland

Eine Frage ist, ob sich Konjugationsvorgänge in der Natur wirklich häufig genug ereignen, daß Vorsichtsmaßnahmen gerechtfertigt wären, die den Laborstudien nach geraten scheinen. Seit den Anfängen der Umwelt-Biotechnologie in den achtziger Jahren hat man solche Prozesse immerhin in vielen Lebensräumen nachgewiesen, darunter im Wasser, im Boden sowie in und auf verschiedenen Pflanzen und – wie die Verbreitung von Resistenzen belegt – im Körper von Tier und Mensch.
Bemerkenswert sind die Untersuchungen von John Fry, Martin Day und ihren Mitarbeitern an der Universität von Wales in Cardiff an einem Süßwasserbiotop: dem mit Quecksilber belasteten Fluß Taff, der dort in den Trichter des Severn mündet. Sie verwendeten einen Laborstamm von Pseudomonas aeruginosa, einem verbreiteten Boden- und Süßwasserbakterium, das beispielsweise bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem Harnwegs- und Atemwegsinfektionen verursachen kann. Für den Versuch wurden die Zellen zunächst in einem bestimmten Gen so verändert, daß sie eine abnorme Version des darauf codierten Proteins herstellten – als unverwechselbare Kennzeichnung sozusagen. Mit ihnen beimpfte das Forscherteam den nährstoffreichen, bakteriendurchsetzten schleimigen Überzug auf dem Geröll unter dem Wasserspiegel und umschloß jeden Stein mit einem hochfeinen Filtermaterial, das Zellen dieser Größe nicht entweichen ließ.
Der Organismenbelag, das sogenannte Epilithion, wurde 24 Stunden später auf markierte Zellen von P. aeruginosa durchmustert, die von ihren im Fluß ansässigen Artgenossen ein Plasmid für Quecksilberresistenz ergattert hatten. Gelungen war dies nur jeder milliardsten bis zehntausendsten Zelle.
Die Konjugationshäufigkeit wurde – dies eine weitere wichtige Erkenntnis – durch Faktoren wie Temperatur, Säuregrad und Nährstoffkonzentration beeinflußt, und zwar nicht unbedingt so wie unter Kulturbedingungen. Beispielsweise maß man bei den Experimenten im Taff 6 bis 18 Grad Celsius – das Wasser war somit eigentlich zu kalt für Konjugationen bei Laborstämmen. Daß Faktoren wie die genannten den Vorgang in der Natur anders beeinflussen als im Labor, hat man bei vielen Studien unerwartet festgestellt. Deshalb lassen sich die genauen Bedingungen, die ihn in der Umwelt fördern beziehungsweise hemmen oder gänzlich verhindern, nur vor Ort ermitteln.
Aufgrund der Arbeiten von Fry und Day wie auch von anderen Wissenschaftlern nimmt man mittlerweile an, daß Bakterien in vielen verschiedenen Lebensräumen durch Konjugation genetische Informationen austauschen (Bild 4), daß aber genetisch veränderte Plasmide wahrscheinlich eine geringe Gefahr für die Umwelt darstellen. DNA-Ringe, deren Nutzung und Erhalt ja energetischen Aufwand erfordern, verzögern das Wachstum ihrer Wirtsbakterien und gehen denn auch gewöhnlich verloren, wenn sie keinen Vorteil mehr bringen. Das wäre zum Beispiel der Fall, wenn – in Umkehr der Versuche im Taff – ein Plasmid gezielt mit einem Gen für Quecksilberresistenz versehen würde und dann in ein anderes Bakterium geriete, das dem Schwermetall in seinem natürlichen Umfeld gar nicht ausgesetzt ist.
Plasmide bauen sich, wenn überhaupt, nur selten ins Bakterienchromosom ein; sie existieren unabhängig davon und werden nicht zu einem festen Bestandteil des Erbguts, etwa des neuen Wirts. Während sich das Chromosom vor jeder Zellteilung verdoppelt, so daß stets beide Tochterzellen eines mitbekommen, ist die Duplikation von freien Plasmiden nicht streng an die Teilung gekoppelt, und sie werden auch nicht gleichmäßig aufgeteilt. Folglich geht bisweilen eine der Tochterzellen leer aus, was je nach Umweltbedingungen einen Wachstumsvorteil bedeuten kann.
Trotz einer nach allem Ermessen geringen Gefahr haben Biotechniker bei der Planung von Freilandeinsätzen rekombinanter Bakterien erwogen, erwünschte Gene statt in ein Plasmid in das Chromosom selbst zu plazieren; damit wäre das Risiko, daß sie sich durch Konjugation ungewollt ausbreiten, fast ausgeschaltet. Was ist aber mit anderen Wegen der Übertragung?

Minimales Transformationsrisiko

Noch länger bekannt als die Konjugation ist ein anderer bakterieller Gentransfer-Mechanismus. Schon 1928 hatte der britische Mikrobiologe Frederick Griffith verblüfft beobachtet, daß sich ungefährliche Stämme von Pneumokokken zu einem geringen Prozentsatz in Erreger schwerer Lungenentzündung verwandelten, wenn er sie Mäusen zusammen mit abgetöteten Zellen krankmachender Stämme derselben Art injizierte. Sie hatten, so seine Folgerung, von ihren toten Artgenossen ein "transformierendes Prinzip" aufgenommen.
Bei dem umwandelnden Stoff handelte es sich – wie man später nachwies – um DNA, die aus abgestorbenen Zellen bei deren Zerfall austritt. Von Transformation, also Umwandlung, spricht man heute selbst dann, wenn eine Bakterienzelle ein Gen als freie DNA aus der Umgebung aufnimmt, dann aber gar nicht ausprägt; es kann auf einem Plasmid liegen, das sich die Zelle als Ganzes einverleibt, oder auf einem DNA-Bruchstück, das sich ins Bakterienchromosom eingliedert.
Voraussetzung für eine Transformation im Freiland ist allerdings, daß zum einen solche DNA-Moleküle in der Umwelt lange genug überdauern, zum anderen potentielle Empfängerzellen überhaupt aufnahmebereit (kompetent) werden. Unter gewissen äußeren Bedingungen prägen beispielsweise grampositive Bakterien spezielle Oberflächenproteine aus, die gewissermaßen herrenlose DNA an sich binden und deren Transport ins Zellinnere einleiten (Bild 3).
Noch vor einiger Zeit meinte man, in den meisten natürlichen Biotopen würden Transformationsereignisse gar nicht stattfinden, weil freie DNA im Erdreich oder in Gewässern nicht stabil genug sei. Sie kann sich jedoch, wie Michael Lorenz und Wilfried Wackernagel von der Universität Oldenburg, Gunther Stotzky von der Universität New York und andere Forscher nachgewiesen haben, an Bodenbestandteile heften, in dieser Form überdauern und dann von kompetenten Bakterienzellen auch aufgenommen werden. Und neueren Indizien zufolge sind in Flußbiotopen ebenfalls gelegentlich Plasmide durch Transformation übertragen worden, und zwar im freien Wasser sowie im Epilithion (Bild 4 rechts; daß aber chromosomale Gene auf diese Weise in aquatischen oder terrestrischen Lebensräumen transferiert würden, hat meines Wissens bislang noch niemand beobachtet).
Gleichwohl halten die meisten Fachleute es für unwahrscheinlich, daß im Freiland Gene aus manipulierten Bakterien ohne weiteres durch Transformation den Besitzer wechseln. Relativ wenige Bakterienspezies sind überhaupt fähig, je nach den Umweltbedingungen aufnahmebereit zu werden, und in der Natur scheinen sich Transformationen auch nur mit DNA von Artgenossen zu ereignen. (Daß freigesetzte manipulierte Bakterien auf diesem Wege unerwünschte Eigenschaften erwerben, läßt sich vermeiden, indem man keine kompetente Spezies verwendet.)
Zwar haben John Paul und seine Mitarbeiter an der Universität von Südflorida in Tampa beispielsweise im Gezeiten-Einflußbereich von Flußmündungen nach Tagesanbruch mitunter recht hohe Konzentrationen freier DNA nachgewiesen, denn dann sterben dort im typischen Fall viele Mikroorganismen ab. Lebende Bakterien können sich solches Erbmaterial auch einverleiben. Aber wie Laborexperimente zeigten, zerlegen sie das meiste davon rasch in die biochemischen Bausteine, um daraus eigene DNA herzustellen. Folglich bleiben die aufgenommenen Gene nur selten intakt – ihr Informationsgehalt wird gelöscht.

Von Bakterien zu Viren und zurück

Anders als die Transformation ist die dritte Form des horizontalen Gentransfers – die Transduktion – bei einer Vielzahl unterschiedlicher Bakterien möglich: Bakteriophagen, also sie befallende Viren, verschleppen gelegentlich wirtseigenes genetisches Material von einer Zelle in die nächste.
Zur Infektion dockt ein solches Virus an der Oberfläche eines Bakteriums an und injiziert ihm seine DNA (Bild 1 rechts). Diese trägt die Anweisungen zum Bau neuer Phagen, die schließlich aus dem Opfer austreten (meist, indem sie es zum Platzen bringen) und nun weitere Zellen infizieren.
Mitunter allerdings erhalten einige der neuen Viruspartikel beim Zusammenbau statt eigener DNA solche ihres Wirts – gewöhnlich Abschnitte des Bakterienchromosoms (das komplette würde nicht in den Viruskopf passen), teils auch ganze Plasmide. Laborversuchen zufolge vermögen manche Bakteriophagen zudem offenbar mehrere Arten und sogar verschiedene Gattungen von Bakterien zu infizieren. Das läßt vermuten, daß sie bakterielle Gene unter Umständen weit über den Herkunftsort hinaus verbreiten. Weil die Möglichkeit besteht, daß dies auch mit Erbmaterial geschehen könnte, das Bakterien vor der Freisetzung übertragen wurde, konzentrieren meine Kollegen und ich unsere Untersuchungen auf die Transduktion. Anfangs haben wir dafür die von Sayler entwickelten Umweltkammern genutzt; inzwischen nehmen wir gasdurchlässige Plastiktüten.
Aufgrund unserer Ergebnisse haben wir zur Risikoabschätzung ein Modell vorgeschlagen, das vereinfacht besagt: Bringt man genmanipulierte Bakterien an einem Standort im Freiland aus, so werden sie dort von Bakteriophagen infiziert; erhalten dann irgendwelche der neu entstehenden Viruspartikel zufällig das fremde Gen anstelle eigener DNA, können sie es auf die ansässige natürliche Bakterienpopulation übertragen. Unser Modell läßt sich sowohl auf die Transduktion chromosomaler als auch auf die plasmidischer DNA anwenden. Um nachzuweisen, daß dieses Szenario auf Süßwasserbiotope zutrifft, haben wir vor einiger Zeit Bakterien und Bakteriophagen aus verschiedenen Seen isoliert und analysiert; tatsächlich teilten sich dortige Bakterienpopulationen sozusagen genetische Information mittels Transduktion.
Früher waren viele Mikrobiologen der Ansicht, außerhalb des Labors sei Transduktion kein bedeutsamer Trans-fer-Mechanismus, weil sie Interaktionen zwischen Viren und Bakterien erfordere, aber beider Konzentrationen in der Natur zu gering seien, als daß solche Kontakte in größerer Zahl vorkämen. Doch wir entdeckten vor kurzem in Meer- und Süßwasserproben Bakteriophagen in sehr hohen Konzentrationen, oft bis zu hundert Milliarden Viruspartikel pro Milliliter. Mithin dürften sie und ihre Wirte sich so häufig begegnen, daß Transduktionsvorgänge wahrscheinlicher sind als vordem geschätzt.
Trotz allem läßt der derzeitige Kenntnisstand darauf schließen, daß eine Reihe von Faktoren der Transduktion von Erbmaterial aus gentechnisch veränderten Bakterien wohl enge Grenzen setzt. So befallen die meisten Bakteriophagen nur eine einzige Wirtsart, nicht viele verschiedene – und dann zumeist lediglich solche Bakterien, die im natürlichen Verbreitungsgebiet dieser Viren heimisch sind, nicht aber Laborstämme, die man in der Gentechnik einsetzt. Und schließlich sollten Molekularbiologen in absehbarer Zeit imstande sein, genmanipulierte Bakterien auch mit Eigenschaften auszustatten, die eine Ausbreitung der DNA auf andere Arten und ein Überdauern darin einschränken; solche Bremsen sind bereits in Entwicklung.
Nahezu jeder Organismus läßt sich mittlerweile in seiner genetischen Beschaffenheit verändern – in der Landwirtschaft etwa nutzt man die Gentechnologie zur Entwicklung von Nutzpflanzen, die verschiedenen Krankheiten oder Unkrautvernichtungsmitteln widerstehen oder sonstwie einträglicher sind. Insgesamt deuten die bisherigen Studien an Bakterien in ihren natürlichen Lebensräumen darauf hin, daß sich genmanipulierte Organismen in sicherer Weise freisetzen lassen. Das Problem ist eher, ob sie die ihnen zugedachte Aufgabe erfüllen. Vorsicht ist dennoch angebracht; aber das zunehmende Wissen über den horizontalen Gentransfer sollte helfen, die Risiken gentechnischer Freilandvorhaben auf ein Minimum zu senken.

Literaturhinweise

Robert V. Miller ist seit 1991 Professor an der Staatsuniversität von Oklahoma in Stillwater und Leiter der dortigen Abteilung für Mikrobiologie und Molekulargenetik. Nach seiner Promotion an der Universität von Illinois (Hauptsitz Urbana) ging er zunächst 1974 an die Universität von Tennessee in Knoxville und wurde im Jahre 1980 Fakultätsmitglied derStritch-Hochschule für Medizin an der Loyola-Universität in Chicago.Von 1987 bis 1993 gehörte er der Biotechnologie-Expertenkommission der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde an, deren Politik hinsichtlich der Freisetzung gentechnisch veränderter Mikroorganismen er mitgestaltete.
– Gene Transfer in the Environment. Herausgegeben von Stuart B. Levy und Robert V. Miller. McGraw-Hill, 1989.
– Genetic Interactions among Microorganisms in the Natural Environment. Herausgegeben von E. M. H. Wellington und J. D. van Elsas. Pergamon Press, 1992.
– Release of Genetically Engineered and Other Micro-Organisms. Von J. C. Fry und M. J. Day. Cambridge University Press, 1992.
– Strategies and Mechanisms for Field Research in Environmental Bioremediation. Von Robert V. Miller und Jeanne S. Poindexter. American Academy of Microbiology, Bundeshauptstadt Washington, 1994.
– Horizontal Gene Transfer. Herausgegeben von M. Syvanen und C. Kado. Chapman and Hall (im Druck)


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1998, Seite 50
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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