Advances in Biotechnology (Überfachliche Qualifikationen - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Betrachte einen Abschnitt der DNA mit der Nukleotidsequenz 5'-AGTCGATCGTACG-3'. Dieser Abschnitt soll sowohl durch Replikation als auch durch Transkription und Translation gehen.

a)

Während der DNA-Replikation werden die beiden Stränge getrennt und jeder Strang dient als Vorlage für die Synthese eines neuen Komplementärstrangs. Was ist die komplementäre Sequenz des gegebenen DNA-Strangs 5'-AGTCGATCGTACG-3'? Vergewissere Dich, die Richtung der Sequenzen anzugeben.

Lösung:

Um die komplementäre Sequenz des gegebenen DNA-Strangs 5'-AGTCGATCGTACG-3' zu finden, müssen wir die Basenpaarungsregeln der DNA-Replikation anwenden. Die Regeln besagen:

• Adenin (A) paart sich mit Thymin (T)
• Thymin (T) paart sich mit Adenin (A)
• Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C)
• Cytosin (C) paart sich mit Guanin (G)

Nun wenden wir diese Regeln auf die gegebene Sequenz an:

5'-AGTCGATCGTACG-3'

Die komplementäre Sequenz wird:

3'-TCAGCTAGCATGC-5'

Vergewissere Dich, dass die Richtung der komplementären Sequenz korrekt angegeben wird. In diesem Fall ist die Richtung von 3' nach 5'.

b)

Betrachte den vorliegenden DNA-Strang nun als Vorlage für die Transkription. Wie lautet die mRNA-Sequenz, die von der DNA-Sequenz 5'-AGTCGATCGTACG-3' transkribiert wird? Denke daran, dass in RNA die Base Uracil (U) anstelle von Thymin (T) vorkommt und gib die Richtung der Sequenz an.

Lösung:

Um die mRNA-Sequenz von der gegebenen DNA-Sequenz 5'-AGTCGATCGTACG-3' zu transkribieren, müssen wir die komplementäre RNA-Sequenz basierend auf den Basenpaarungsregeln erstellen. Beachte, dass in RNA die Base Uracil (U) anstelle von Thymin (T) vorkommt. Die Regeln besagen:

• Adenin (A) paart sich mit Uracil (U) in RNA
• Thymin (T) paart sich mit Adenin (A) in RNA
• Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C)
• Cytosin (C) paart sich mit Guanin (G)

Wende diese Regeln auf die gegebene Sequenz an:

5'-AGTCGATCGTACG-3'

Die komplementäre mRNA-Sequenz wird:

3'-UCAGCUAGCAUGC-5'

Da die RNA-Sequenz jedoch in der 5'-3' Richtung geschrieben wird, müssen wir die Sequenz umdrehen:

5'-GCAUGCUAGCUGA-3'

Die transkribierte mRNA-Sequenz lautet also 5'-GCAUGCUAGCUGA-3'.

c)

Die mRNA-Sequenz wird nun in ein Protein übersetzt. Identifiziere die Aminosäuresequenz, die von der gewonnenen mRNA-Sequenz codiert wird. Nutze das Codon-Tabelle und zeige die Schritte Deiner Übersetzung.

Lösung:

Um die Aminosäuresequenz von der gegebenen mRNA-Sequenz 5'-GCAUGCUAGCUGA-3' zu bestimmen, müssen wir die Codons in der mRNA-Sequenz lesen und die entsprechenden Aminosäuren mit Hilfe der Codon-Tabelle identifizieren. Ein Codon besteht aus drei Nukleotiden und codiert eine spezifische Aminosäure. Hier sind die Schritte zur Übersetzung:

Trennen der mRNA-Sequenz in Codons:

5'-GCAUGCUAGCUGA-3'

• GCA
• UGC
• UAG
• CUG
• A

Ermitteln der entsprechenden Aminosäuren für jedes Codon:

• GCA: Alanin (Ala)
• UGC: Cystein (Cys)
• UAG: Stop-Codon (Stopp)
• CUG: Leucin (Leu)

Beachte, dass das Codon UAG ein Stop-Codon ist und den Übersetzungsprozess beendet. Daher wird die Aminosäuresequenz nur bis zu diesem Punkt gelesen.

Die resultierende Aminosäuresequenz ist:

 Ala-Cys

Da die Translation bei einem Stop-Codon endet, wird Leucin nicht in die endgültige Aminosäuresequenz aufgenommen.

Aufgabe 2)

CRISPR/Cas9-TechnologieDie CRISPR/Cas9-Technologie ist eine Genom-Editing-Technik, die guide RNA (gRNA) und das Cas9-Protein verwendet, um gezielte DNA-Schnitte vorzunehmen. Diese Methode ermöglicht präzise genetische Veränderungen und wird in verschiedenen Bereichen wie der medizinischen Forschung, Landwirtschaft und Biotechnologie angewendet. Die gRNA führt das Cas9-Protein zu einer spezifischen DNA-Sequenz, wo Cas9 die DNA schneidet. Dies ermöglicht die Einführung gezielter Mutationen, Gene-Knockouts und Genkorrekturen.

• Anwendung: Genom-Modifikation in Organismen
• Mechanismus: gRNA führt Cas9 zu spezifischer DNA-Sequenz; Cas9 schneidet DNA
• Nutzen: gezielte Mutationen, Gene-Knockouts, Genkorrektur
• Komponenten: Cas9-Protein, guide RNA (gRNA)
• Vorteile: hohe Präzision, Effizienz, Vielseitigkeit
• Anwendungsbereiche: medizinische Forschung, Landwirtschaft, Biotechnologie

a)

Erkläre den Mechanismus der CRISPR/Cas9-Technologie im Detail. Nutze dabei die Begriffe gRNA, Cas9, DNA-Sequenz und DNA-Schnitt in Deiner Erklärung.

Lösung:

Mechanismus der CRISPR/Cas9-TechnologieDie CRISPR/Cas9-Technologie ist eine hochpräzise Methode zur Genom-Editierung, welche auf den gezielten Einsatz von guide RNA (gRNA) und Cas9-Protein basiert. Im Folgenden wird der Mechanismus der Technologie im Detail erklärt:

• gRNA: Die gRNA besteht aus einer kurzen RNA-Sequenz, die komplementär zu einer spezifischen Ziel-DNA-Sequenz im Genom ist. Diese Komplementarität gewährleistet, dass die gRNA die Cas9-Nuklease genau zu der gewünschten Stelle im DNA-Strang führt.
• Cas9-Protein: Das Cas9-Protein ist eine Endonuklease, eine Art von Enzym, das DNA schneiden kann. Es wird von der gRNA zum Ziel geführt und bindet an die komplementäre DNA-Sequenz.
• DNA-Sequenz: Die gRNA erkennt und bindet an ihre spezifische Ziel-DNA-Sequenz durch Basenpaarung. Diese Erkennung ist extrem präzise, da sie auf der Komplementarität der Nukleotide zwischen der gRNA und der Ziel-DNA basiert.
• DNA-Schnitt: Sobald das Cas9-Protein von der gRNA an die Ziel-DNA-Sequenz gebracht wurde, führt es einen präzisen Doppelstrangbruch (DSB) in der DNA durch. Diesen Schnitt kann der Zelleninneren-Reparaturmechanismus dann nutzen, um genetische Veränderungen einzuführen.

Zusammengefasst: Die gRNA führt das Cas9-Protein zu einer spezifischen DNA-Sequenz, wo Cas9 einen gezielten DNA-Schnitt vornimmt. Diese präzise Schnitte ermöglichen es, gezielte Mutationen zu induzieren, Gene-Knockouts zu erzeugen oder Genkorrekturen durchzuführen. Dank ihrer hohen Präzision und Effizienz revolutioniert die CRISPR/Cas9-Technologie die genetische Forschung und findet Anwendung in vielen Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft und Biotechnologie.

b)

Ein Forscher möchte das Gen XYZ in einer Zelllinie mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Technologie ausschalten. Er beschreibt die Ziel-DNA-Sequenz als 5'-AGCTTAGGCTAAT-3'. Entwickle eine passende gRNA-Sequenz und erläutere, wie diese gRNA in Kombination mit dem Cas9-Protein verwendet wird, um das Zielgen auszuschalten.

Lösung:

Entwicklung einer passenden gRNA-SequenzUm das Gen XYZ in einer Zelllinie mit der CRISPR/Cas9-Technologie auszuschalten, benötigt der Forscher eine guide RNA (gRNA), die spezifisch die Ziel-DNA-Sequenz 5'-AGCTTAGGCTAAT-3' erkennt. Da die gRNA komplementär zur Ziel-DNA sein muss, wird die gRNA-Sequenz folgendermaßen erstellt:

Die komplementäre Sequenz zur Ziel-DNA 5'-AGCTTAGGCTAAT-3' ist 5'-ATTAGCCTAAGCT-3'.

Wir müssen beachten, dass eine gRNA eine PAM-Sequenz (Protospacer Adjacent Motif) benötigt, die von Cas9 erkannt wird. In der Regel ist dies die Sequenz 5'-NGG-3', wo N irgendein Nukleotid sein kann. Angenommen, die optimale PAM-Sequenz liegt am Ende der gRNA, dann könnte unsere gRNA-Sequenz so aussehen:

gRNA-Sequenz: 5'-UUA-GCC-UAA-GCU-NGG-3'

N= A, G, C, oder T

Verwendung der gRNA in Kombination mit Cas9

• Bildung des gRNA-Cas9-Komplexes: Die gRNA wird im Labor synthetisiert und so modifiziert, dass sie zusammen mit dem Cas9-Protein einen stabilen Komplex bilden kann.
• Bindung an die Ziel-DNA-Sequenz: Die gRNA führt das Cas9-Protein zu der spezifischen Ziel-DNA-Sequenz 5'-AGCTTAGGCTAAT-3'. Dank der Komplementarität der Sequenz lagert sich die gRNA an die Ziel-DNA an.
• DNA-Schnitt: Sobald die gRNA den Cas9-Komplex zur Zielsequenz geführt hat, erkennt Cas9 die PAM-Sequenz und führt einen Doppelstrangbruch (Double-Strand Break, DSB) in der Nähe der Zielsequenz durch.
• Ausschaltung des Gens: Der DSB bewirkt, dass die zelleigenen Reparaturmechanismen aktiviert werden. Da diese Reparatur meist ungenau ist, kommt es oft zu kleinen Indels (Insertionen oder Deletionen), welche das Leseraster des Gens verschieben und somit für einen Knockout des Gens XYZ sorgen.

Zusammengefasst: die gRNA-Sequenz 5'-UUA-GCC-UAA-GCU-NGG-3' führt den Cas9-Komplex präzise zu der Ziel-DNA-Sequenz, wo Cas9 einen Schnitt durchführt. Die nachfolgende fehleranfällige Reparatur führt effektiv zur Ausschaltung des Gens XYZ.

Aufgabe 3)

In einem Biotechnologie-Labor soll die Produktion von Ethanol durch alkoholische Gärung untersucht werden. Du hast einen Glucose-Puffer als Substrat, und möchtest die Umwandlungsrate zur Produktion von Ethanol und CO2 bestimmen. Gegeben ist folgende Gleichung der alkoholischen Gärung: \[ C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 C_2H_5OH + 2 CO_2 \] Zusätzlich zu der chemischen Reaktionsgleichung, berücksichtige die Rolle der Mikroorganismen (z.B. Hefen) und den Sterilisationsbedarf des Prozesses. Der Prozess wird als Batch-Prozess durchgeführt. Außerdem ist bekannt, dass 180 Gramm Glucose zu 92 Gramm Ethanol und 88 Gramm CO2 umgewandelt werden.

a)

1. Berechne die theoretische Ausbeute an Ethanol (in Gramm), wenn Du mit einer Anfangsmenge von 540 Gramm Glucose startest. Zeige alle Rechenschritte und gehe von der vollständigen Umsetzung der Glucose aus.

Lösung:

Um die theoretische Ausbeute an Ethanol zu berechnen, wenn Du mit einer Anfangsmenge von 540 Gramm Glucose startest, musst Du die stöchiometrische Beziehung aus der chemischen Reaktionsgleichung verwenden und die Massenverhältnisse berücksichtigen. Hier sind die Schritte im Detail:

• Verwendete chemische Reaktionsgleichung:

C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 C_2H_5OH + 2 CO_2

• Schritt 1: Massenverhältnisse ermitteln
  • Aus der Reaktionsgleichung geht hervor, dass 180 Gramm Glucose (\(C_6H_{12}O_6\)) zu 92 Gramm Ethanol (\(C_2H_5OH\)) umgewandelt werden.
• Schritt 2: Proportion aufstellen
  • Wende die Verhältnisgleichung zur Berechnung an:

    \(\frac{180 \text{ g Glucose}}{92 \text{ g Ethanol}} = \frac{540 \text{ g Glucose}}{x \text{ g Ethanol}}\)

• Schritt 3: Proportion für \(x\) lösen

  \(x = \frac{540 \text{ g Glucose} \times 92 \text{ g Ethanol}}{180 \text{ g Glucose}}\)

• Rechnerisch ergibt das:

  \(x = \frac{540 \times 92}{180}\)

\(x = 276 \text{ g Ethanol}\)

Daher ist die theoretische Ausbeute an Ethanol, wenn Du mit 540 Gramm Glucose startest und von einer vollständigen Umsetzung ausgehst, 276 Gramm Ethanol.

b)

2. In der Praxis wurde jedoch festgestellt, dass nur 85% der Glucose tatsächlich umgesetzt wurden. Bestimme die tatsächliche Menge an produziertem Ethanol und an CO2 (in Gramm).

Lösung:

Um die tatsächliche Menge an produziertem Ethanol und CO2 zu berechnen, wenn nur 85% der Glucose tatsächlich umgesetzt wurden, können wir die theoretische Ausbeute basierend auf der gegebenen Menge und dann den Prozentsatz berücksichtigen. Hier sind die Schritte im Detail:

• Verwendete chemische Reaktionsgleichung:

C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 C_2H_5OH + 2 CO_2

• Schritt 1: Massenverhältnisse ermitteln
  • Aus der Reaktionsgleichung wissen wir, dass 180 Gramm Glucose zu 92 Gramm Ethanol und 88 Gramm CO2 umgewandelt werden.
• Schritt 2: Theoretische Menge für 540 Gramm Glucose berechnen
  • Aus (1) wissen wir, dass 540 Gramm Glucose theoretisch 276 Gramm Ethanol ergeben:

    \(540 \text{ g Glucose} \rightarrow 276 \text{ g Ethanol}\)

  \(540 \text{ g Glucose} \rightarrow 264 \text{ g CO2}\)

\(\text{Umgesetztes Ethanol} = \frac{459 \text{ g Glucose} \times 92 \text{ g Ethanol}}{180 \text{ g Glucose}}\)

\(\text{Umgesetztes CO2} = \frac{459 \text{ g Glucose} \times 88 \text{ g CO2}}{180 \text{ g Glucose}}\)

\(\text{Umgesetztes Ethanol} = \frac{459 \times 92}{180} = 234.6 \text{ g Ethanol}\)

\(\text{Umgesetztes CO2} = \frac{459 \times 88}{180} = 224.2 \text{ g CO2}\)

Daher sind die tatsächlichen Mengen an produziertem Ethanol und CO2, wenn nur 85% der Glucose umgesetzt wurden, 234.6 Gramm Ethanol und 224.2 Gramm CO2.

c)

3. Diskutiere die möglichen Gründe für die Abweichung von der theoretisch berechneten Ausbeute und beschreibe mindestens drei Faktoren, die die Effizienz der Gärung beeinflussen könnten.

Lösung:

Es gibt mehrere Gründe, warum die tatsächliche Ausbeute an Ethanol von der theoretisch berechneten Ausbeute abweichen kann. Hier sind drei Faktoren, die die Effizienz der Gärung beeinflussen könnten:

• Rolle der Mikroorganismen (z.B. Hefen): Die Effizienz der Gärung hängt stark von der Aktivität und Gesundheit der Hefen ab. Faktoren, die dies beeinflussen können, sind:
  • Hefestamm: Unterschiedliche Hefestämme haben unterschiedliche Gärfähigkeiten und -toleranzen gegenüber Umweltbedingungen. Ein suboptimaler Hefestamm kann zu einer geringeren Ethanolproduktion führen.
  • Hefekonzentration: Eine unzureichende Konzentration von Hefen kann die Gärung verlangsamen oder unvollständig machen. Es ist wichtig, die richtige Menge an aktiven Hefen zu verwenden.
  • Alter und Vitalität der Hefen: Alte oder beschädigte Hefen haben möglicherweise nicht die gleiche Effizienz wie frische, gesunde Hefen.
• Sterilisationsbedarf des Prozesses: Verunreinigungen durch unerwünschte Mikroorganismen können die Gärung beeinträchtigen. Kontamination kann konkurrierende mikrobielle Aktivität hervorrufen, die Nährstoffe konsumiert, die für die Hefen gedacht sind, und giftige Nebenprodukte produziert. Dies kann durch unzureichende Sterilisation der Ausrüstung oder der Substrate verursacht werden.
  • Sterilisationstechniken: Unzureichende Sterilisationstechniken können es pathogenen Mikroorganismen ermöglichen, den Prozess zu kontaminieren, die Ethanolproduktion zu behindern oder sogar komplett zu verhindern.
  • Sanitäre Bedingungen: Unsachgemäße sanitäre Bedingungen während des Gärungsprozesses können das Risiko einer mikrobiellen Kontamination erhöhen.
• Umweltbedingungen des Prozesses: Der Erfolg der Gärung hängt auch stark von den Bedingungen ab, unter denen sie durchgeführt wird. Verschiedene Umweltfaktoren können die Gärungseffizienz beeinflussen:
  • Temperatur: Gärung ist temperaturabhängig. Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können die Hefen stressen und deren Aktivität verringern. Optimaler Temperaturbereich ist notwendig für maximale Effizienz.
  • pH-Wert: Der pH-Wert der Umgebung beeinflusst die Enzymaktivität der Hefen. Ein extrem hoher oder niedriger pH-Wert kann die Hefetätigkeit hemmen oder stoppen.
  • Sauerstoffverfügbarkeit: Während der alkoholischen Gärung sollte der Sauerstoffgehalt niedrig sein, um eine aerobe Atmung zu vermeiden. Zu viel Sauerstoff kann die Gärung behindern und die Ethanolproduktion verringern.

Zusammengefasst können Abweichungen von der theoretischen Ausbeute durch mehrere biotische und abiotische Faktoren verursacht werden. Um die Effizienz der Gärung zu maximieren, muss auf die Kontrolle und Optimierung dieser Faktoren geachtet werden.

d)

4. Beschreibe den Unterschied zwischen einem Batch-Prozess und einem kontinuierlichen Prozess in der Fermentationstechnik. Welche Vor- und Nachteile bieten diese beiden Prozesse in Bezug auf die Produktion von Ethanol?

Lösung:

In der Fermentationstechnik gibt es zwei Haupttypen von Prozessen: Batch-Prozesse und kontinuierliche Prozesse. Beide haben ihre eigenen Merkmale sowie Vor- und Nachteile hinsichtlich der Produktion von Ethanol.

• Batch-Prozess:
• Beschreibung: Im Batch-Prozess wird die Glucose und die Hefe in einen Fermenter geladen, die Gärung wird gestartet, und der Prozess läuft bis zur vollständigen Umsetzung der Glucose. Nach Abschluss des Prozesses wird der Fermenter entleert und neu befüllt.
• Vorteile:
• Einfach zu implementieren und zu steuern.
• Hohe Reinheit des Produkts, da jeder Batch separat verarbeitet wird.
• Weniger Risiko einer Kontamination über längere Zeiträume, da der Fermenter zwischen den Batches gereinigt wird.
• Geeignet für die Produktion von kleinen bis mittleren Mengen.
• Nachteile:
• Diskontinuierlicher Prozess, daher nicht geeignet für die Massenproduktion.
• Höhere Arbeits- und Zeitkosten, da der Fermenter zwischen den Batches entleert, gereinigt und neu befüllt werden muss.
• Schwankungen in der Produktqualität zwischen verschiedenen Batches möglich.
• Kontinuierlicher Prozess:
• Beschreibung: Im kontinuierlichen Prozess wird die Glucose kontinuierlich in den Fermenter eingespeist und das Produkt kontinuierlich geerntet. Der Prozess läuft konstant über längere Zeiträume.
• Vorteile:
• Ständige Produktion, daher geeignet für die Massenproduktion.
• Niedrigere Arbeits- und Zeitkosten, da der Prozess einmal gestartet kontinuierlich läuft.
• Konstante Produktqualität, da der Prozess unter stabilen Bedingungen läuft.
• Nachteile:
• Komplexer und schwieriger zu steuern als Batch-Prozesse.
• Höheres Risiko einer Kontamination, da das System längere Zeit kontinuierlich läuft.
• Mehr Investition in Kontroll- und Überwachungssysteme erforderlich.
• Schwierigkeiten bei der Schnellverfahren-Änderung oder -Anpassung.

Zusammengefasst hängt die Wahl zwischen einem Batch-Prozess und einem kontinuierlichen Prozess von den spezifischen Produktionsanforderungen, der gewünschten Menge an Ethanol und den verfügbaren Ressourcen ab. Batch-Prozesse bieten Flexibilität und sind einfacher handzuhaben, während kontinuierliche Prozesse größere Mengen effizient und konsistent produzieren können.

Aufgabe 4)

Stammzellbiologie befasst sich mit der Erforschung und Anwendung von verschiedenen Stammzelltypen, einschließlich embryonaler Stammzellen (ESCs), adulter (somatischer) Stammzellen und induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs). Wesentliche Eigenschaften von Stammzellen sind die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Differenzierung. Diese Eigenschaften machen sie besonders wertvoll für Anwendungen in der regenerativen Medizin, als Krankheitsmodelle und für Arzneimitteltests. Signalwege wie Wnt, Notch und Hedgehog sowie Transkriptionsfaktoren wie Oct4, Sox2 und Nanog spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation dieser Prozesse. Ethische Bedenken und gesetzliche Regelungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Techniken wie Zellkulturen und CRISPR/Cas9-Geneditierung sind zentral für die Arbeit mit Stammzellen.

a)

Subexercise 1: Erläutere den Unterschied zwischen embryonalen Stammzellen (ESCs) und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) im Hinblick auf ihre Herkunft, ihre Selbsterneuerungskapazität und ihre ethischen Implikationen. Welche Vorteile bieten iPSCs für die regenerative Medizin im Vergleich zu ESCs?

Lösung:

• Herkunft:
  • Embryonale Stammzellen (ESCs): ESCs werden aus der inneren Zellmasse von Blastozysten isoliert, die etwa fünf Tage alte Embryonen sind. Sie stammen direkt aus frühen menschlichen Embryonen.
  • Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs): iPSCs werden durch die Reprogrammierung von somatischen (Körper-)Zellen erzeugt. Dies geschieht durch die Einführung bestimmter Gene, oft durch retrovirale Vektoren, die die Zellen in einen pluripotenten Zustand zurückversetzen.
• Selbsterneuerungskapazität:
  • ESCs: ESCs haben eine hohe Selbsterneuerungskapazität und können sich unbegrenzt teilen, solange sie in einer geeigneten Kulturumgebung gehalten werden.
  • iPSCs: iPSCs haben ebenfalls eine hohe Selbsterneuerungskapazität, vergleichbar mit der von ESCs. Sie können sich ebenfalls unbegrenzt teilen und differenzieren.
• Ethische Implikationen:
  • ESCs: Die Verwendung von ESCs ist ethisch umstritten, da ihre Gewinnung die Zerstörung eines menschlichen Embryos erfordert. Dies wirft ethische und auch rechtliche Bedenken auf.
  • iPSCs: Die Erzeugung von iPSCs umgeht das ethische Dilemma, da sie aus adulten Körperzellen gewonnen werden, ohne Embryonen zu zerstören. Dies macht iPSCs ethisch weniger problematisch.
• Vorteile von iPSCs für die regenerative Medizin im Vergleich zu ESCs:
  • Kein ethisches Dilemma: iPSCs vermeiden die ethischen Probleme, die mit der Verwendung von ESCs verbunden sind, da sie ohne die Zerstörung von Embryonen gewonnen werden.
  • Patientenspezifische Therapie: iPSCs können aus den eigenen Zellen eines Patienten erzeugt werden, was das Risiko von Immunabstoßungsreaktionen minimiert. Dies bedeutet, dass personalisierte Zellen für jede Person entwickelt werden können.
  • Zugang und Vielfalt: iPSCs können aus einer Vielzahl von Zelltypen gewonnen werden, was den Zugang zu pluripotenten Stammzellen erleichtert und die genetische Vielfalt der einsetzbaren Stammzellen erhöht.

b)

Subexercise 2: Betrachten wir ein hypothetisches Szenario, in dem Du adulte Stammzellen aus dem Knochenmark isolierst und diese zur Differenzierung in neuronale Zellen einsetzen möchtest. Du nutzt die CRISPR/Cas9 Technik, um den Transkriptionsfaktor Sox2 gezielt zu exprimieren. a) Beschreibe den Prozess der CRISPR/Cas9-Geneditierung und wie sie in diesem Szenario angewendet werden würde. b) Modell von Stammzellen: Angenommen, die Differenzierungseffizienz beträgt 75%, berechne die Anzahl neuronaler Zellen, die Du aus einer Population von 1.000.000 isolierten Stammzellen erwarten würdest. Zusatzfrage: Diskutiere mögliche Herausforderungen und Risiken bei der Verwendung von CRISPR/Cas9 in der Stammzellforschung.

Lösung:

• Subexercise 2:
  1. a) Prozess der CRISPR/Cas9-Geneditierung:
     • Einführung: CRISPR/Cas9 ist eine leistungsfähige Methode zur gezielten Geneditierung. CRISPR steht für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“ und Cas9 ist eine Endonuklease, die DNA an spezifischen Stellen schneiden kann.
     • Schritte im Prozess:
       • Design der guide RNA (gRNA): Eine spezifische RNA-Sequenz wird entworfen, die komplementär zur Ziel-DNA-Sequenz ist, an der die Modifikation vorgenommen werden soll.
       • Komplexbildung: Die gRNA wird mit dem Cas9-Protein kombiniert, um einen Komplex zu bilden, der durch die gRNA zur Ziel-DNA-Sequenz gelenkt wird.
       • DNA-Schneiden: Der Cas9-gRNA-Komplex schneidet die DNA an der Zielsequenz und erzeugt einen Doppelstrangbruch (Double-Strand Break, DSB).
       • Einfügen von Sox2: Ein Plasmid oder eine DNA-Vorlage, die den Transkriptionsfaktor Sox2 enthält, wird in die Zelle eingebracht. Die Zelle repariert den DSB durch homologe Rekombination und integriert das Sox2-Gen in ihr Genom.
       • Expression: Nach erfolgreicher Integration und Reparatur beginnt die Zelle, den Transkriptionsfaktor Sox2 zu exprimieren, was die Differenzierung der adulten Stammzellen zu neuronalen Zellen induziert.
  2. b) Modell von Stammzellen:
     • Gegebene Information: Differenzierungseffizienz beträgt 75%.
     • Berechnung:

       Die erwartete Anzahl neuronaler Zellen kann wie folgt berechnet werden:

       \[ \text{Anzahl der neuronalen Zellen} = \text{Population der Stammzellen} \times \text{Differenzierungseffizienz} \]

       \[ \text{Anzahl der neuronalen Zellen} = 1.000.000 \times 0,75 = 750.000 \]

       Du würdest also 750.000 neuronale Zellen aus einer Population von 1.000.000 isolierten Stammzellen erwarten.

  3. Zusatzfrage:
     • Herausforderungen und Risiken bei der Verwendung von CRISPR/Cas9 in der Stammzellforschung:
       • Off-Target-Effekte: Ein potenzielles Risiko ist, dass CRISPR/Cas9 möglicherweise auch an unerwünschten Stellen im Genom schneidet, was zu unerwünschten Mutationen führen kann.
       • DNA-Schäden: Der DNA-Reparaturprozess nach einem Schnitt kann Fehler verursachen, was zu Instabilitäten oder Schäden im Genom führen kann.
       • Immunsystem-Reaktionen: Die Einführung von Cas9-Protein, das oft aus Bakterien stammt, kann immunologische Reaktionen hervorrufen, die die Wirksamkeit und Sicherheit beeinflussen können.
       • Ethische Überlegungen: Die genetische Modifikation von Zellen wirft ethische Fragen auf, insbesondere wenn es um die Manipulation von Keimbahnzellen geht.
       • Regulatorische Hürden: Der Einsatz von CRISPR/Cas9 unterliegt strengen rechtlichen und regulatorischen Bestimmungen, die die Forschung und klinische Anwendung erschweren können.
       • Lange Fristen: Obwohl CRISPR/Cas9 vielversprechend ist, sind weitere Forschungen erforderlich, um die langfristigen Effekte und potenziellen Risiken vollständig zu verstehen.