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Was Ist Gen-Editing Und Warum Geht Es über GVO Hinaus?
Was Ist Gen-Editing Und Warum Geht Es über GVO Hinaus?

Video: Was Ist Gen-Editing Und Warum Geht Es über GVO Hinaus?

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Video: Gen-editing mit CRISPR/Cas9 (english subtitles) 2023, Januar
Anonim
Hände halten Gemüse noch an einer Pflanze befestigt
Hände halten Gemüse noch an einer Pflanze befestigt

An einem ansonsten kühlen Aprilmorgen standen Zachary Lippman, Ph.D., und ich in der künstlichen Hitze und Feuchtigkeit eines Gewächshauses im Cold Spring Harbor Laboratory - der berühmten Long Island-Forschungseinrichtung, die Pionierarbeit bei der Entdeckung von DNA leistete - und starrten sie an die Zukunft der Landwirtschaft. Es war eine Tomatenpflanze, aber es war anders als jede andere, die jemals existiert hat. Wo die meisten lang und langbeinig sind, war dieser kurz und buschig. Wo die meisten ihre Früchte an einzelnen Stielen ausreihen, rühmten sich diese dichten Trauben von leuchtend roten Kirschtomaten, wie Trauben an einer Rebe. Lippman, ein Pflanzengenetiker mit Buzzcut, Bart und einer ansteckenden Begeisterung für alles, was mit Blättern zu tun hat, schuf die Pflanze mit CRISPR, einer neuen Gen-Editing-Technik, die die Pflanzenzüchtung revolutioniert. Und er glaubt, dass diese Technologie an der Spitze einer Welle steht, die - wenn die Verbraucher sie akzeptieren - Pflanzen härter, ertragsstärker und nachhaltiger machen und Lebensmittel nahrhafter und köstlicher machen könnte.

"Schau dir diesen Cluster an!" Sagte Lippman und kniete nieder, um eine Handvoll Obst zu holen. "Dies ist ein extremes Beispiel, bei dem wir mit einer Kirschtomate begonnen haben, die sehr groß war und drei Gen-Änderungen vorgenommen hat." Durch die Optimierung der ersten beiden DNA-Stücke wurde die Pflanze kurz und fruchtbar, und durch die dritte wurde die Länge des Stiels zwischen den einzelnen Früchten drastisch verringert, wodurch die Pflanze in einen stämmigen Dynamo umgewandelt wurde, der Tomaten produziert und sich perfekt für städtische vertikale Farmen eignet, in denen Pflanzen in a angebaut werden beengter Innenraum. Die vertikale Landwirtschaft hat mehrere Vorteile für die Umwelt: Sie kann die Lebensmittelmeilen reduzieren, die unsere Produkte zurücklegen (und den CO2-Fußabdruck), und die Pflanzen vor seltsamem Wetter wie extremen Stürmen oder Dürren schützen (Sie sehen, Klimawandel). Es erfordert auch viel weniger Land und Ressourcen als ein traditioneller Bauernhof.

Lesen Sie mehr: GVO: Sind sie sicher? Was sind die Vor- und Nachteile?

Durchbrüche wie diese Tomate sind das Versprechen von CRISPR, das die biologischen Wissenschaften - von der Medizin zur Landwirtschaft - seit seiner Ankunft im Jahr 2012 verändert hat. CRISPR ist ein mikroskopisches molekulares Werkzeug, das programmiert werden kann, um präzise Änderungen an der DNA eines jeden vorzunehmen Lebewesen. Es ist bemerkenswert genau und einfach zu bedienen. (Siehe "CRISPR: Erklärt" weiter unten.) Die Mehrheit der früheren gentechnisch veränderten Pflanzen (GVO) umfasste den Transport ganzer Gene zwischen Arten und war so ungenau, dass typische Projekte Jahre dauerten, aber CRISPR und andere Gen-Editing-Technologien können einzelne Buchstaben von ändern DNA in einem vorhandenen Organismus, die die Art von zufälligen Mutationen nachahmt, von denen Züchter historisch abhängig waren.

Was Lippman wirklich umgehauen hat, ist, wie schnell es funktioniert. Wo traditionelle Züchter Jahrzehnte brauchen können, um eine neue Sorte herzustellen, geduldig verschiedene Sorten zu kreuzen und zu kreuzen und zu hoffen, dass die richtigen Eigenschaften zusammenkommen, konnte er eine Zelle aus einer alten Kirschtomate entnehmen, die gewünschten Eigenschaften mit CRISPR ändern und neue wachsen Pflanzen in wenigen Monaten. (Siehe "4 Wege, wie neue Erntesorten hergestellt werden" weiter unten.)

Und obwohl eine Zwergkirschtomate die Welt nicht verändern wird, glauben viele Experten, dass die Art der sorgfältigen Genbearbeitung, die jetzt möglich ist, eine neue grüne Revolution in der Landwirtschaft auslösen wird - und keine zu früh. Bereits jetzt verlieren die Landwirte der Welt bis zu 25% ihrer Ernte aufgrund von Dürre und Hitzestress. Während der Klimawandel weiter brutzelt, wird die Zahl der Ernteausfälle steigen. Forscher wie Lippman beginnen jedoch, Pflanzen zu entwickeln, die höhere Temperaturen vertragen und mit weniger Wasser und weniger Chemikalien mehr Lebensmittel produzieren können. Und das könnte den Unterschied zwischen einer lebensmittelgesicherten und einer viel beängstigenderen Welt ausmachen. Eine kürzlich in der Zeitschrift Transgenic Research veröffentlichte Studie ergab, dass die Mehrheit der 114 befragten Experten (eine Mischung aus Wissenschaftlern, Wissenschaftlern, Biotechnologieprofis und Regierungsbeamten) der Ansicht ist, dass die Bearbeitung von Genen das Potenzial hat, Ernteerträge, Qualität und Klimaresilienz zu verbessern und die globale Ernährungssicherheit, und 68% stimmen zu, dass dies dazu beitragen könnte, den ökologischen Fußabdruck der Landwirtschaft zu verringern.

Als ich mich hockte, um die glänzenden Trauben purpurroter Früchte zu untersuchen, spürte ich die ersten Umwälzungen eines Paradigmenwechsels in meinem Kopf. Ich war GVO gegenüber immer skeptisch gewesen. Aber je mehr ich mit Lippman und anderen Pflanzenleuten sprach und etwas über Techniken wie CRISPR lernte, desto mehr fragte ich mich, ob die alten GVO nur ein unangenehmes jugendliches Stadium der Technologie waren und ob diese neueste Pflanzengeneration tatsächlich unsere machen könnte Lebensmittelversorgung nachhaltiger, sicherer und leckerer.

Wissenschaftler untersucht eine Pflanze
Wissenschaftler untersucht eine Pflanze

Die Wurzeln der genetischen Veränderung

Die meisten Menschen wissen nicht, dass Monsantos Akzeptanz der Gentechnik in den 1970er und 1980er Jahren dazu beitragen sollte, die Landwirte von ihrer Abhängigkeit von Chemikalien zu befreien. Die alarmierenden Gefahren von DDT und anderen Pestiziden waren klar geworden, und Wissenschaftler von Monsanto begannen zu experimentieren, wie mithilfe der Genetik natürliche Formen der Schädlingsbekämpfung in Kulturpflanzen integriert werden können. Ihr erster Erfolg war Bt-Mais und Baumwolle, die ein Gen aus einem natürlich vorkommenden Bodenbakterium (Bacillus thuringiensis) enthielten, das die Pflanzen für bestimmte Würmer, die sie befallen, toxisch machte - aber keine Auswirkungen auf andere Käfer oder Säugetiere hatte. Bt-Pflanzen reduzierten die Menge an Pestiziden, die Landwirte für diese Pflanzen verwenden mussten, um bis zu 99%.

Wenn Monsanto diesen Weg fortgesetzt hätte, wäre die Geschichte der GVO möglicherweise ganz anders verlaufen. Stattdessen konzentrierte sich das Unternehmen darauf, Pflanzen gegen Roundup, sein Blockbuster-Herbizid, resistent zu machen, indem ein Gen aus einem anderen Bakterium inseriert wurde. Roundup Ready-Feldmais (angebaut für Viehfutter, Ethanol und verarbeitete Lebensmittel im Gegensatz zu Zuckermais) und Sojabohnen wurden in den 1990er Jahren freigesetzt. Die Bauern liebten sie. Anstelle einer mühsamen und ungenauen Unkrautbekämpfung könnten sie ihre Pflanzen einfach mit Glyphosat (der aktiven Chemikalie in Roundup) besprühen und sie alle töten. Heute ist der größte Teil des in Nordamerika angebauten Feldmaises und Sojas Roundup Ready, und die weltweite Verwendung von Glyphosat ist explodiert.

Viele Verbraucher sind besorgt über die Auswirkungen all dieser Herbizidrückstände auf ihre Gesundheit und die Umwelt, aber es gibt noch ein weiteres grundlegenderes Problem. Ein Gen aus einem Organismus wie einem Bakterium zu nehmen und es auf ein wild anderes wie eine Maispflanze zu übertragen, scheint einfach gruselig. Könnte es unbeabsichtigte Konsequenzen haben, Gene so zu mischen, wie es die Natur niemals erlaubt hätte? Trotz der Zusicherung von Wissenschaftlern, dass GVO sicher zu essen sind, wollen viele Verbraucher keinen Teil davon. Das hat GVO-Mais, Soja und Raps nicht daran gehindert, die Lebensmittelversorgung zu übernehmen, wo sie ziemlich unsichtbar sind und jeden Tag gegessen werden. Obst und Gemüse sind jedoch weitgehend unberührt geblieben. Es kann Hunderte von Millionen Dollar kosten, einen GVO zu entwickeln und ihn durch die steilen regulatorischen Hürden zu führen, die das USDA transgenen Pflanzen auferlegt. Und angesichts der wahrscheinlichen öffentlichen Gegenreaktion sind nur wenige Unternehmen bereit, dies zu riskieren.

Aber als Lippman die ersten Artikel über CRISPR las, wusste er, dass sich die Pflanzenzüchtung für immer verändert hatte. "Ich schnappte mir eine Haftnotiz, schrieb 'Promoter CRISPR' und klebte sie an meinen Schreibtisch. Es gab Dinge, die ich schon immer ausprobieren wollte, aber ich hatte sie in den Hintergrund gedrängt, weil es keine Werkzeuge gab, die ich tun konnte Sobald die Studien erfolgreich waren, ging dieser ideenähnliche Promotor CRISPR ganz nach vorne. Es ist eine böse aufregende Zeit ", sagte er, als wir Dutzende von gentechnisch veränderten Tomaten im Gewächshaus von Cold Spring Harbor untersuchten.

Jedes Gen in Pflanzen und Tieren, erklärte er, enthält ein Stück DNA, einen Promotor, der die Energie dieses Gens steuert. Wenn das Gen das Auto ist, ist der Promotor das Gaspedal. Durch die Verwendung von CRISPR, um mit Promotoren zu fummeln, könnte Lippman jedes Gen schnell, langsam oder überhaupt nicht laufen lassen. Es wäre viel einfacher, und vor allem würde es keine fremden Gene in der Pflanze geben - weil er die eigene DNA der Tomate optimieren würde. All diese Veränderungen waren Dinge, die natürlich auftreten könnten, wenn ein Züchter sehr, sehr viel Glück hätte. Lippman hoffte, dass dies die gentechnisch veränderten Pflanzen für Verbraucher und Bundesregulierungsbehörden weniger beunruhigend machen würde.

Letztes Jahr bestätigte das USDA, dass es diese Pflanzen nicht anders behandeln wird als traditionelle, und erklärte, dass "das USDA keine Pflanzen reguliert oder plant, Pflanzen zu regulieren, die sonst durch traditionelle Züchtungstechniken entwickelt worden wären", weil die Agentur dies in Betracht zieht Diese neu geschaffenen Pflanzen "sind nicht von denen zu unterscheiden, die durch traditionelle Züchtungsmethoden entwickelt wurden." Dies reduziert den Zeit- und Geldaufwand für die Markteinführung eines gentechnisch veränderten Lebensmittels erheblich und macht es für kleinere Spezialkulturen und unabhängige Unternehmen rentabel - was bedeutet, dass wir viele davon sehen werden. Bereits in Arbeit: krankheitsresistenter Kakao und Bananen, koffeinfreie Kaffeebohnen, geschmacksverstärkte Erdbeeren und Tomaten, nicht brütende Pilze und Äpfel und vieles mehr. (Siehe "Lebensmitteleinkauf wird sich bald ändern" weiter unten.)

Einige der vielversprechendsten gentechnisch veränderten Pflanzen stammen von Calyxt, einem Unternehmen in Minnesota, das eine CRISPR-ähnliche Technik namens TALEN verwendet. Im Februar begann das Unternehmen mit dem Verkauf des ersten gen-editierten Lebensmittels, eines Sojaöls namens Calyno, das aus Soja hergestellt wird, aber ein Olivenöl ähnliches Fettprofil aufweist. Weitere in Calyxt in der Entwicklung befindliche Pflanzen sind ein ballaststoffreicher Weizen, Luzerne, die von Nutztieren leichter verdaut werden kann (was zu geringeren Methanemissionen führt), ein Rapsöl mit einer noch gesünderen Fettzusammensetzung und eine Kartoffel, die einer Kühllagerung besser standhält.

Aber werden die Leute sie essen? Viele Verbraucher und Interessengruppen stehen der Bearbeitung von Genen nach wie vor zutiefst misstrauisch gegenüber. In einer Umfrage des Pew Research Center aus dem Jahr 2018 gaben 59% der Befragten an, dass gentechnisch veränderte Lebensmittel zu Gesundheitsproblemen führen werden, und 56% hielten sie für umweltschädlich. (Obwohl 76% angaben, dass sie die weltweite Nahrungsmittelversorgung erhöhen könnten.) An der Spitze des Anti-CRISPR-Kampfes auf gemeinnütziger Seite steht Friends of the Earth, der 2018 einen Bericht mit dem Titel Gene-Edited Organisms in Agriculture: Risiken und unerwartete Folgen veröffentlichte. Die Mitautorin des Berichts, Dana Perls, erklärte: "Neue gentechnische Techniken wie die Bearbeitung von Genen sind riskant … [und diese] neuen GVO müssen vor ihrem Markteintritt und in unserem Lebensmittelsystem ordnungsgemäß auf Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt untersucht werden." Zu den Bedenken in den Berichtsdetails gehört, dass CRISPR unbeabsichtigte genetische Veränderungen oder Fehler hervorrufen oder wichtige Gene auf eine Weise verändern kann, die Auswirkungen auf die Sicherheit für die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat.

Sind sie wirklich grundsätzlich schärfer als traditionell gezüchtete Pflanzen? Nicht unbedingt. Wie Lippman mir sagte, sind die Änderungen, die CRISPR vornimmt, genau das, was seit Tausenden von Jahren in unseren Kulturen geschieht, was zu größeren Früchten oder Samen, besseren Erträgen und einem besser vorhersehbaren Wachstum führt. Mutationen treten jedes Mal auf, wenn sich ein Organismus vermehrt: Von den Milliarden Buchstaben der DNA in seinem Genom werden Tausende falsch kopiert und gelegentlich ergeben sich erstaunliche Ergebnisse. Das ist es, was die Evolution antreibt. Die Sorge um ein einzelnes bearbeitetes Gen, sagte Lippman, macht keinen Sinn. "Es ist eine Mutation in einem Meer von bereits existierenden. Jede Pflanze, die Sie essen, enthält Tausende neuer Mutationen", zuckte er mit den Schultern. "Wie fühlst du dich?"

Megan J. Palmer, Ph.D., eine leitende Wissenschaftlerin am Stanford Center for International Security and Cooperation, eine Expertin für die Bewertung der Gefahren neuer Technologien, stimmte dem zu. "Das Risiko ist relativ", sagte sie mir. "Wir neigen dazu, die Risiken bekannter Technologien zu unterschätzen und die Risiken neuer Technologien zu überschätzen. Traditionelle Züchtung kann mehr zufällige Mutationen einführen als Gen-Editing." Palmer sagte, wir müssen auch den sich ändernden Kontext berücksichtigen, in dem wir neue Techniken bewerten: "Wir wissen, dass wir in Zukunft mit allen möglichen Risiken konfrontiert sein werden, beispielsweise mit denen, die mit dem Klimawandel einhergehen. Wenn diese Technologien helfen könnten." Verwalten Sie sie, das ist eine wichtige Überlegung."

Jenseits von Tomaten und Pilzen

Unabhängig davon, wie viele Experten die Sicherheit von gentechnisch veränderten Lebensmitteln bestätigen, droht den Verbrauchern der Kriechfaktor. Das ist der Grund, warum der vielversprechendste technische Organismus in der Landwirtschaft einer sein könnte, den die Menschen überhaupt nicht essen müssen. Es ist eine Mikrobe namens Proven, mit der der Bauer Chad Rubbelke aus North Dakota seine Weizensamen behandelt hat, bevor er sie in diesem Frühjahr gepflanzt hat.

Rubbelke bewirtschaftet 3.000 Morgen Hartweizen, Sojabohnen, Sonnenblumen, Raps und Flachs an Land, das seit Generationen in seiner Familie liegt. Aber er ist Teil einer neuen Welle junger, umweltbewusster, technisch versierter Landwirte, die im Mittleren Westen für Aufregung sorgen, und er glaubt, dass Proven den Einsatz von Stickstoffdünger, einem der größten Umweltprobleme der Landwirtschaft, erheblich reduzieren kann.

Stickstoff ist für das Pflanzenwachstum essentiell, und unsere schnell wachsenden Pflanzen benötigen eine intensive Versorgung damit. Aber nur etwa die Hälfte der 120 Millionen Tonnen Dünger, die jedes Jahr ausgebracht werden, gelangen tatsächlich in die Ernte. "Stickstoff in den Boden zu bringen, ist wahrscheinlich das größte Problem, das ein Landwirt hat", sagte Rubbelke. "Es ist teuer. Und es ist so gut wie unmöglich, es zum richtigen Zeitpunkt in Gang zu bringen." Wenn die Bedingungen zu nass sind, fließt es in Flüsse, wo es tote Zonen verursacht, die das Leben aus den Meeren ersticken, in die sie sich entleeren. Wenn die Bedingungen zu trocken sind, verdampft es in der Luft und wird zu einem wichtigen Treibhausgas. Nach Schätzungen der EPA verursacht die Düngemittelanwendung 74% aller Lachgasemissionen in den USA - eine besonders schädliche Form von Treibhausgasen (300-mal wirksamer als Kohlendioxid). Auf diesen Dünger zu verzichten, ist derzeit jedoch keine Option. Ohne sie würden wir nur halb so viel Lebensmittel produzieren, und 3 Milliarden Menschen weltweit könnten hungern.

Bewährtes kann das ändern. In dem fluoreszierend beleuchteten Wachstumsraum eines Startups namens Pivot Bio in Berkeley, Kalifornien, untersuchte ich Dutzende von Mais und Sojabohnenpflanzen in sandgefüllten Kisten. Symbiotisch auf ihren Wurzeln lebten nachgewiesene Mikroben (die auf die Samen aufgetragen worden waren). Sie wurden entwickelt, um kontinuierlich Stickstoff aus der Luft zu ziehen - etwas, was die meisten Pflanzen nicht alleine können - und ihn direkt mit einem Löffel an die Wurzeln der Pflanzen zuzuführen. In der Natur tun dies einige Mikroben in bescheidenen Mengen, aber die Gen-Bearbeitung hat den Prozess um einige Stufen beschleunigt. Während die Pflanzen wachsen, besiedeln sich die Mikroben und ernähren sich gleichmäßig von Stickstoff, ohne Wasser oder Luft zu verlieren. Und obwohl Proven nicht genug Stickstoff produzieren kann, um die Verwendung von Düngemitteln vollständig zu ersetzen, könnte seine Wirkung dennoch enorm sein.

Das machte Chad Rubbelke auf sich aufmerksam. "Ich wurde verkauft! Etwas, das nicht chemisch ist und der Umwelt helfen kann, könnte ein großer Akteur auf unserer Farm sein", sagte er. "Wenn wir ein Mikrobenmittel verwenden können, um den Stickstoffstoß zu erhalten, wenn wir ihn benötigen, ohne ihn selbst anwenden zu müssen, könnte dies 50% unseres Düngemittelbedarfs decken." Dies würde wiederum den Stickstoffabfluss und die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren. Bis zum Hochsommer hatte er bereits Ergebnisse bei seinen Weizenernten gesehen. "Als wir Proben nahmen, zeigte jeder einzelne einen merklichen Unterschied zum unbehandelten Weizen", sagte Rubbelke. "Der bewährte Weizen war spürbar größer und hatte eine größere Wurzelmasse. Es war aufregend und ich hoffe, dass diese Ergebnisse am Ende zu einem höheren Ertrag führen."

Untersuchungen von Pivot Bio haben ergeben, dass ein Drittel der amerikanischen Maisbauern, die Proven angenommen haben, das Treibhausgasäquivalent für fast 1,5 Millionen Autos von der Straße nehmen und verhindern könnten, dass 500.000 Tonnen Nitrate in die Wasserstraßen gelangen. Als ich mich mit Karsten Temme, CEO von Pivot Bio, an einen Konferenztisch in der Nähe der Anbauräume setzte, sagte er mir bisher so gut: "2018 haben wir Proven mit ein paar Dutzend Landwirten getestet. Wir sagten: "Probieren Sie unser Produkt aus und sehen Sie, was Sie denken." Jeder einzelne von ihnen hat sich dieses Jahr bereits als gewerblicher Kunde angemeldet. Wir waren überwältigt. " Das Unternehmen konnte 2019 nur genug Proven produzieren, um einige hundert Erzeuger zu beliefern. Mit Investoren wie Bill Gates 'Breakthrough Energy Ventures erwartet Temme jedoch, bis 2020 auf Tausende zu expandieren.

Pivot Bio hat zahlreiche Wettbewerber auf dem Gebiet der technischen "Biologika" - Mikroben und Enzyme, die Pflanzen auf verschiedene Weise stärken. Während einige versuchen, das Düngemittelproblem zu lösen, zielen andere darauf ab, Pflanzen dabei zu helfen, Stress durch Hitze oder Trockenheit zu tolerieren. "Mikroben sind wie eine Erweiterung des Immunsystems der Pflanze", erklärte Temme. "Sie können dazu beitragen, dem Klimawandel standzuhalten und das gesamte Ag-System widerstandsfähiger und nachhaltiger zu machen." Andere Biologika werden zur Bekämpfung von Unkraut entwickelt. Und wenn das passiert, sagte Rubbelke, wird er an erster Stelle stehen: "Wir verwenden Herbizide nicht so gern, wie ihr es nicht gerne hört!"

Auf dem Weg zu einem vielfältigeren Nahrungsmittelsystem

So aufgeregt Lippman über die neuen Tomaten ist, die er herstellt, das, was ihn an CRISPR am meisten begeistert, sind überhaupt keine Tomaten. "Komm und sieh dir das an", sagte er und führte mich zu einem anderen Teil des Gewächshauses, wo eine zottelige Hecke eine Wand dominierte. "Sie sehen den wilden Vorfahren der Tomaten. In seiner Heimat in Mittel- und Südamerika ist die Tomate keine einjährige. Es ist eine große, buschige, holzige Staude." Er hob ein Blatt und enthüllte einen winzigen grünen Noppen. "Sehen Sie diese kleine Frucht hier? Sie wird nicht größer als ein winziger Marmor."

Über Tausende von Jahren konnten die Erzeuger die Größe der Tomate erhöhen, indem sie kontinuierlich Pflanzen mit Mutationen auswählten, die größere Früchte hervorbrachten - aber bis in die 1920er Jahre breiteten sich die meisten Tomaten aus. Dann entdeckte ein Landwirt aus Florida eine Pflanze mit einer Freak-Mutation, die sie kompakt und dicht fruchtig machte und die moderne Tomatenindustrie hervorbrachte. Plötzlich konnten sie als Reihenkulturen angebaut und leicht geerntet werden. Die meisten kommerziellen Sorten stammen von dieser ursprünglichen Pflanze ab.

Und so ist es bei den meisten unserer Nahrungspflanzen, sagte mir Lippman. Jedes hing von seltenen Mutationen ab, um sie in etwas zu verwandeln, das gezüchtet werden konnte. "Von den Hunderttausenden von Pflanzenarten sind Zehntausende essbar", sagte er. "Wir essen wahrscheinlich ein paar hundert." Mit anderen Worten, für jede Tomate oder Artischocke, die domestiziert wurde, taten es weitere 500 essbare wilde Früchte und Gemüse nicht. Und für jedes nützliche Gen, das wir in die Landwirtschaft eingezogen haben, stehen weitere 500 am Rande. Wer weiß, welche neuen Wege zur Bekämpfung von Dürre, Hitze, Krankheiten, Schädlingen, Ernährung, Geschmack und anderen zukünftigen Herausforderungen in all dieser angesammelten natürlichen Weisheit zu finden sind?

"Wir öffnen diese Reservoire genetischer Vielfalt in der Natur!" Rief Lippman aus und schob mich über das Gewächshaus, um zwei weitläufige Sträucher zu betrachten. "Ich denke, es gibt ein echtes Potenzial, dies zu einer wichtigen Beerenernte zu machen." Unter den Blättern einer Pflanze baumelten papierartige Laternen, die jeweils eine einzelne kleine Frucht enthielten. Es waren Erdkirschen, leckere Wildpflanzen, die natürlich nur eine Frucht pro Zweig produzieren. "Ich liebe den Geschmack dieser Dinge", sagte Lippman. "Aber sie sind die schlechtesten Produzenten, die man sich vorstellen kann, und sie brauchen ewig, um Früchte zu tragen. Es ist ein Albtraum. Aber wir können sie kompakter machen, schneller blühen und konzentriertere Früchte haben."

Sicher, es ist nur ein Groundcherry (OK, vielleicht ein köstliches Groundcherry), aber wenn CRISPR sie zu einem angemessenen Preis in den Supermarkt bringen kann, wer weiß, was es sonst noch zu unserem Repertoire hinzufügen könnte?

Lippman nahm einen Groundcherry, schälte die Laterne zurück und reichte sie mir. "Riechen Sie es. Sie sind so gut. All diese Ananas- und Vanille-Düfte." Als ich dort in diesem verglasten Garten stand, hielt ich die Früchte an meine Nase und überlegte, ob ich einen Bissen nehmen sollte. Es roch seltsam, aber verführerisch, neu und doch zutiefst vertraut, wie etwas aus unserer Urvergangenheit. Ich war alles dabei.

CRISPR: Erklärt

Grafik zur Erklärung von CRISPR
Grafik zur Erklärung von CRISPR

CRISPR ist das eingängige Akronym für einen ausgesprochen unauffälligen Begriff: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Im Jahr 2012 entdeckte ein Team von Wissenschaftlern an der University of California in Berkeley unter der Leitung von Jennifer Doudna, Ph.D., Professorin für Chemie sowie Molekular- und Zellbiologie, wie CRISPR verwendet werden kann, um gezielte Genbearbeitungen in praktisch jedem Organismus vorzunehmen. Die Geneditierung funktioniert auch bei Tieren. Die Forscher haben große Pläne für hornlose Kühe (die keine schmerzhafte und arbeitsintensive Enthornung erleiden müssten), Hühner, die gegen die Vogelgrippe immun sind, und Schweine, die kein Fortpflanzungs- und Atmungssyndrom bei Schweinen haben (was amerikanische Landwirte Milliarden kostet Dollar pro Jahr). Im Gegensatz zu Pflanzen regelt die FDA die Geneditierung bei Tieren - sie wendet derzeit dieselben Regeln an wie für GVO -, was es zu teuer und zeitaufwändig macht, die meisten von ihnen auf den Markt zu bringen. Hier ist ein detaillierterer Blick darauf, wie die Technologie zum Bearbeiten von Genen funktioniert.

1. Wissenschaftler identifizieren das Gen für ein Merkmal, das sie bearbeiten möchten.

2. Anschließend entwerfen sie einen Strang der Leit-RNA (ein Molekül, das die in der DNA enthaltene genetische Information lokalisieren und lesen kann), um die genaue DNA-Sequenz in diesem Gen abzugleichen. Ein Enzym - typischerweise Cas9 genannt -, das als eine Art molekulare Schere fungiert, ist an die RNA gebunden.

3. Das CRISPR-Konstrukt wird zusammen mit der zu bearbeitenden Zelle in ein Reagenzglas oder eine Petrischale gegeben.

4. Die Leit-RNA durchsucht das Genom der Zelle, bis sie die passende DNA-Sequenz findet - ähnlich wie bei der Auswahl eines Verdächtigen aus einer (sehr großen) Polizeiaufstellung - und sperrt sich dann ein.

5. Die Cas9 "Schere" schneidet dann die DNA genau an diesem Punkt. Wenn Wissenschaftler das Gen einfach deaktivieren wollen, ist das genug. Sie können aber auch eine Bearbeitung vornehmen, indem Sie ein neues Stück DNA mit der Sequenz eines neuen Merkmals hinzufügen, das sie möchten.

6. Zellen haben natürliche Reparaturenzyme, die gebrochene DNA-Stränge wieder zusammennähen. Wenn ein neues Stück DNA hinzugefügt wurde, wird es in die Lücke eingenäht, wodurch das Gen verändert wird.

7. Während sich die Zellen vermehren, haben sie alle die neue DNA und exprimieren das gewünschte Merkmal.

4 Wege, wie neue Pflanzensorten hergestellt werden

Wie sich die Geneditierung von GVO und anderen Pflanzenzüchtungsmethoden unterscheidet

TRADITIONELLE ZUCHT

Erstbeschäftigung: Seit Menschen Pflanzen kultivieren (vor rund 23.000 Jahren).

So funktioniert es: Züchter bestäuben zwei Sorten derselben Art. Die resultierenden Samen haben eine Mischung von Genen der beiden Elternteile zusammen mit normalen zufälligen Mutationen. Die Züchter züchten sie und wählen die Pflanzen mit den wünschenswertesten Eigenschaften aus. Diese Methode umfasst auch Hybriden, die in den 1920er Jahren begannen: Zwei völlig unterschiedliche Pflanzen werden gekreuzt, um Nachkommen zu produzieren, die Merkmale beider Elternteile aufweisen, z. B. die Kreuzung einer Zitrone mit einer Mandarine zur Herstellung einer Meyer-Zitrone. (Erbstücke hingegen werden durch offene Bestäubungspflanzen vermehrt, die Samen aussäen und dann diese Samen speichern und neu pflanzen. Gelegentlich treten natürliche Mutationen auf und die Landwirte wählen die Eigenschaften aus, die sie mögen, und bauen diese neuen Sorten an.)

Anzahl der betroffenen Gene: Einige Gene für das gesamte Genom.

Bundesverordnung: Keine.

Verwendet am: Fast alles, was wir essen.

MUTAGENESE

Erstbeschäftigung: 1950er Jahre

So funktioniert es: Samen werden Strahlung und / oder Chemikalien ausgesetzt, um Mutationen in ihren Genen hervorzurufen, und keimen dann. Die Züchter wählen die interessantesten Ergebnisse aus (die nicht vorhersehbar sind) und kreuzen sie mit vorhandenen Sorten.

Anzahl der betroffenen Gene: Hunderttausende.

Bundesverordnung: Keine.

Verwendet für: Viele gängige Lebensmittel wie rote Grapefruit, Reis, Kakao, Gerste, Weizen, Birnen, Erbsen, Erdnüsse und Pfefferminze.

GENETISCHE ÄNDERUNG (auch bekannt als GVO oder Transgene)

Erstbeschäftigung: 1980er Jahre

So funktioniert es: Gentechniker isolieren ein ganzes Gen aus einer Art und fügen es in eine ganz andere Art ein.

Anzahl der betroffenen Gene: Eins bis acht.

Bundesverordnung: Hoch

Verwendet bei: Pflanzen wie Feldmais, Sojabohnen, Raps, Auberginen und Papaya.

GENBEARBEITUNG

Erstbeschäftigt: 2010er Jahre

So funktioniert es: Gentechniker verwenden CRISPR oder andere molekulare Werkzeuge, um spezifische Veränderungen in der DNA einzelner Pflanzenzellen vorzunehmen.

Anzahl der betroffenen Gene: Eines oder mehrere.

Bundesverordnung: Keine

Verwendet bei: Bisher ca. 25 Lebensmittel, darunter Reis, Mais, Weizen, Zitrusfrüchte, Kartoffeln und Kaffee.

Lebensmitteleinkauf wird sich ändern

Dies sind einige gentechnisch veränderte Lebensmittel, die Sie in den nächsten Jahren sehen können:

Krankheitsresistente Bananen

Warum: Um Cavendish, die wichtigste kommerzielle Bananensorte, vor der Zerstörung durch Krankheiten zu schützen, einschließlich einer durch einen Pilz namens Fusarium verursachten.

Dürretolerante Sojabohnen

Warum: Um die weltweite Lebensmittelproduktion in heißeren, trockeneren Sommern aufrechtzuerhalten.

Kompakte, ertragreiche Tomaten

Warum: Um die vertikale Landwirtschaft voranzutreiben und den Landbedarf auf traditionellen Farmen zu senken, den Ertrag zu steigern, die Lebensmittelmeilen zu reduzieren und die Trockenheitstoleranz zu verbessern.

Größere, härtere Süßkartoffeln

Warum: Verbesserung der Ernährungssicherheit in Afrika. Die Süßkartoffeln haben auch einen erhöhten Beta-Carotinspiegel zur Behandlung von Vitamin-A-Mangel.

Hochertragsreis

Warum: Verbesserung der Ernährungssicherheit in Asien.

Krankheitsresistenter Kakao

Warum: Um ein Gen auszuschalten und die Pflanze gegen einen Krankheitserreger immun zu machen, der derzeit jährlich 20 bis 30% der Kakaofrüchte zerstört.

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ROWAN JACOBSEN ist Autor mehrerer Bücher, darunter American Terroir. Er erhielt einen James Beard Award für sein EatingWell-Feature "Or Not to Bee".

Rowan Jacobson

Oktober 2019 EatingWell

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