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Das Klonlabor

Klonieren - Science und Fiction

Faszinierend und beängstigend zugleich wäre die Vorstellung einen genetisch identischen Zwilling zum Leben zu erwecken. Die Klonierung ist ein technisch sehr aufwendiges Verfahren. Nur wenige Versuche verlaufen erfolgreich. Das virtuelle Klonlabor erklärt, welche Abläufe notwendig sind, um Pflanzen, einen Frosch und eine Maus zu klonen.

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Experimente im Klonlabor

Willkommen im virtuellen Klonlabor! Zunächst muss man sich entscheiden, ob man eine Pflanze, einen Frosch oder eine Maus klonen möchte. Die einzelnen Arbeitsschritte, die dazu nötig sind, werden in dem Versuch simuliert und ausführlich erläutert.

1. Klonierung Pflanze

Mithilfe der Suspensionskultur, also der Vermehrung einer Pflanze durch Protoplasten und Kalli, kann man aus einer einzigen Pflanze auf nur einem Quadratmeter Laborfläche an die 100.000 neue Pflänzchen heranziehen - alle mit dem gleichen Erbgut. Heutzutage werden Ölpalmen, Kartoffeln, Mais, Bananen, Weinreben und viele andere Nutzpflanzen auf diese Weise vermehrt.

Detailansicht des Klonlabors: Ein Blatt wird mit einer Pinzette abgezupft

Materialgewinnung zur Klonierung einer Pflanze

1.1 Gewinnung von Ausgangsmaterial

Im ersten Arbeitsschritt muss ein Blatt mit der Pinzette von der Pflanze gezupft und mit einem Skalpell in kleine Streifen geschnitten werden. Die Pflanzenstreifen werden in einen Erlenmeyerkolben gegeben.

1.2 Herstellung von Protoplasten

Im nächsten Schritt müssen die Zellwände der Pflanzen aufgelöst werden. Dazu verwendet man bestimmte Enzyme, die die verschiedenen Bestandteile der Pflanzenzellwände zersetzen. Mithilfe von sogenannten Pektinasen wird das in den Zellwänden erhaltene Pektin aufgelöst; Cellulasen hingegen greifen Zellulose an und zerlegen sie in ihre Bestandteile. "Nackte" Pflanzen ohne feste Zellwände nennt man Protoplasten.

Detailansicht des Klonlabors: Pflanzenzellen in Enzymlösung

Die Zellwände lösen sich in der Enzymlösung auf.

1.3 Regeneration der Zellwände

Nun sind die Zellwände aufgelöst und man kann die zellwandlosen Blattzellen mit einer Pipette aufsaugen und in den Erlenmeyerkolben mit der Nährlösung überführen. Die Protoplasten benötigen einige Stunden, um neue Zellwände zu bilden.

1.4 Entstehung des Kallusgewebe

Sobald die Protoplasten neue Zellwände gebildet haben, beginnen die Zellen mit Zellteilung. Dabei entstehen sogenannte Kalli oder Kallusgewebe. Darunter versteht man undifferenzierte Zellhaufen oder Gewebeklumpen, die unorganisiert wachsen.

1.5 Induktion der Spross- und Wurzelbildung

Die Kalli benötigen spezielle Pflanzenhormone, damit sie Spross und Wurzeln bilden und sich zu kleine Pflänzchen entwickeln können. Hierfür muss man mit einer Pipette einige Tropfen Auxin und Cytokinin zu den Kalli in die Nährlösung träufeln.

1.6 Wachstum der neuen Pflanzen

Der Kallus hat sich nun zu einem vollständigen kleinen Pflänzchen entwickelt. Jetzt muss man das Pflänzchen mit der Pinzette aus der Nährlösung holen und es einpflanzen.

2. Klonierung Frosch

Der englische Biologe John Gurdon verwendete für dieses Experiment in den 1960er Jahre erstmals Zellkerne von differenzierten Zellen - das sind Zellen, die aus einem voll entwickelten Lebewesen stammen. Er benutzte dazu Darmwandzellen einer Kaulquappe des südafrikanischen Krallenfroschs. Später wiederholte er den Versuch auch mit Schwimmhautzellen ausgewachsener Krallenfrösche. Damit war bewiesen, dass man statt einer Kaulquappe auch einen ausgewachsenen Frosch als Spender des Körperzellkerns verwenden kann.

Detailansicht des Klonlabors: Petrischale mit Froschlaich

Aus der Petrischale mit Froschlaich wird eine Eizelle entnommen.

2.1 Körperzelle entkernen

Im ersten Arbeitsschritt muss man mit Hilfe einer Pipette dem Frosch eine Körperzelle entnehmen und diese in die Petrischale legen. Unter dem Mikroskop wird dann der Zellkern der Körperzelle entnommen.

2.2 Eizelle entkernen

Frösche sind ideale Versuchstiere für diese Methode. Sie legen zum einen häufig, zum anderen jedes Mal sehr viele Eier ab, die zudem mit bloßem Auge zu erkennen sind: Froscheier sind bis zu 4.000-mal größer als die Eier von Säugetieren. Die Eizelle wird entkernt, indem man den Zellkern mithilfe von UV-Strahlung zerstört.

2.3 Kerntransfer Erbgut

Der Transfer des Zellkerns wird unter dem Mikroskop durchgeführt. Eizelle und Zellkern brauchen einige Zeit, um sich aneinander zu gewöhnen, d.h., die DNA des Körperzellkerns muss sich nun umstellen, um die Funktionen eines Zellkerns einer Eizelle erfüllen zu können.

Detailansicht des Klonlabors: Der Transfer des Zellkern unter dem Mikroskop betrachtet

Transfer des Zellkerns

2.4 Zellteilung: Entwicklung Embryo

Damit sich aus der Eizelle ein Froschembryo entwickeln kann, muss sich die Eizelle teilen. Die Entwicklung des Eis zum Embryo lässt sich bei Fröschen gut beobachten: Ihre Embryonen sind mit einem Durchmesser von 1 mm sehr groß und entwickeln sich sehr schnell zu Kaulquappen.

2.5 Entwicklung zur Kaulquappe

Im Gegensatz zu Säugetieren benötigt man beim Klonen von Fröschen keine Ammentiere, die die Embryonen austragen. Vielmehr entwickeln sich die Embryonen selbstständig zu Kaulquappen, einem Zwischenstadium zum fertigen Frosch.

2.6 Entwicklung zum Frosch

Die Entwicklung der geklonten Kaulquappe zum fertigen Frosch funktioniert nicht immer. Manchmal bleibt die Entwicklung im Kaulquappenstadium "stecken"; oft entstehen auch missgebildete und kranke Tiere.

3. Klonierung Maus

Die gebräuchlichste Methode des Klonens ist der sogenannte Kerntransfer in eine entkernte Eizelle. Diese Methode wandten auch Ian Wilmut und sein Kollege Keith Campbell an, als sie 1996 das bekannte Klon-Schaf Dolly schufen.

3.1 Körperzelle entkernen

Mithilfe einer Pipette entnimmt man einer Maus eine Körperzelle und legt diese in die Petrischale. Unter dem Mikroskop wird mit einer stumpfen Pipette die Körperzelle fixiert. Mit einer spitzen Pipette wird danach der Zellkern abgesaugt.

Detailansicht des Klonlabors: Entnahme der Körperzelle

Als erster Arbeitsschritt wird einer Maus eine Körperzelle entnommen.

3.2 Eizelle entkernen

Die Eizelle einer zweiten Maus wird unter dem Mikroskop entkernt. Anders als Körperzellen, die nur bestimmte Funktionen im Körper übernehmen, muss eine Eizelle alles über den Körper, seinen Aufbau und seine Entwicklung "wissen". Diese Besonderheit von Eizellen macht man sich bei der Klon-Methode des Kerntransfers in eine entkernte Zelle zunutze: Die Idee ist, dass die Eizellen die gesamte Information der "neuen" Zellkerne nutzen und sich zu Embryonen entwickeln. Diese sind alle genetisch identisch mit dem Organismus, von dem die Zellkerne der Körperzellen stammen.

Detailansicht des Klonlabors: Eizelle

Die Eizelle wird mit einer stumpfen Pipette fixiert. Mit einer spitzen Pipette wird der Zellkern entfernt.

3.3 Kerntransfer Erbgut

Der Transfer des Zellkerns wird unter dem Mikroskop durchgeführt. Die Eizelle wird mit der stumpfen Pipette fixiert, um dann mit der spitzen Pipette den Zellkern der Körperzelle zu injizieren. Auch in diesem Beispiel muss sich die DNA des Körperzellkerns neu umstellen, um die Funktionen eines Zellkerns einer Eizelle erfüllen zu können.

3.4 Stimulierung Zellteilung

Damit sich aus der Eizelle ein Mäuseembryo entwickeln kann, muss die Zellteilung angeregt werden. Dafür gibt es künstliche chemische Substanzen, die der Eizelle "vorgaukeln", sie wäre von der Samenzelle einer männlichen Maus befruchtet worden. Nach Zugabe der Reagenz beginnt das Entwicklungsprogramm, und die Eizelle teilt sich immer wieder, bis sie zu einem frühen Embryonalstadium, der sogenannten Morula gereift ist.

Detailansicht des Klonlabors: Zellteilung in der Petrischale

Die Eizelle im Teilungsprozess

3.5 Transfer des Embryos

Den Transfer des Embryos wird in zwei Schritten durchgeführt. Zuerst wird der Embryo vorsichtig mit der runden Pipette aufgesogen. Nun wird eine Maus gewählt, die den Embryo als Leihmutter austrägt. Die anfänglichen 16 Zellen des Embryos teilen sich nun viele Male und entwickeln ihre spezielle Funktionen. Nach 19 Tagen ist aus dem Embryo ein lebensfähiges Mäusebaby geworden.

3.6 Geburt

Im letzten Schritt wird das virtuell geklonte Mäusebaby geboren. Die Methode des Kerntransfers hört sich theoretisch ganz einfach an. In der Praxis ist es aber weitaus komplizierter, als in der Theorie. Die Forscher Wilmut und Campbell brauchten insgesamt 277 Kerntransfers, um ein einziges Schaf, das bekannte Klon-Schaf Dolly, zu erschaffen.

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