Nobelpreis 2020. Was man zur Gen-Schere CRISPR/Cas wissen sollte

CRISPR/Cas9 – dieses merkwürdige Kürzel steht für ein grundsätzlich neues Verfahren, um einzelne DNA-Bausteine im Erbgut gezielt verändern zu können, so einfach und präzise wie es bis dahin unvorstellbar war. Obwohl es aus Bakterien stammt, funktioniert die „Gen-Schere“ in nahezu allen lebenden Zellen und Organismen: Sie verspricht neue Möglichkeiten gegen Aids, Krebs und eine Reihe von Erbkrankheiten – aber auch bei der Züchtung von Pflanzen und Tieren. Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna, zwei Molekularbiologinnen, erhielten 2020 dafür den Chemie-Nobelpreis. Doch Europa tut sich noch immer schwer, die sich mit den neuen Verfahren eröffnenden Chancen zu nutzen.

CRISPR/Cas9 (eine Erläuterung des komplizierten Namens gibt es hier) ist eine neue, molekularbiologische Methode, um den DNA-Strang des Erbguts an einer vorbestimmten Stelle gezielt zu schneiden und ihn anschließend genau dort zu verändern. Auf diese Weise können einzelne Gene – genauer: DNA-Bausteine – umgeschrieben oder „editiert“ werden. Gegenüber ähnlichen, aber deutlich komplizierteren Genome Editing-Verfahren wie Zinkfinger-Nukleasen oder TALEN hat sich CRISPR/Cas – oft auch: Gen-Schere – als Standard durchgesetzt. In der Europäischen Union werden sie den Neuen genomischen Techniken (NGT) zugerechnet.

Eigentlich stammt das CRISPR/Cas-System aus Bakterien. Es dient ihnen als eine Art Immunsystem, mit dem sie „feindliche“ Viren anhand zuvor gespeicherter DNA-Fragmente erkennen und abwehren können. Erst nach einigen zufälligen Entdeckungen und jahrelanger Grundlagenforschung wuchs allmählich das Verständnis, wie dieser komplexe Mechanismus funktioniert und was er bewirkt. 2012 hatten zwei Wissenschaftlerinnen – die späteren Nobelpreis-Trägerinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier – die geniale Idee, diesen speziellen CRISPR-Mechanismus als universales molekularbiologisches Werkzeug zu nutzen. Überraschenderweise funktioniert es nicht nur bei Bakterien, sondern bei allen lebenden Zellen – in menschlichen, aber auch in denen von Tieren und Pflanzen.

Im Kern laufen CRISPR und andere Genome Editing-Verfahren in drei Schritten ab (siehe Kasten links): Zunächst muss im riesigen Genom – das oft aus Milliarden Basenpaaren besteht – genau die Stelle gefunden und angesteuert werden, bei der einzelne DNA-Bausteine verändert werden sollen. Dazu konstruiert man eine molekulare „Sonde“. Beim CRISPR-Verfahren besteht sie aus einem kurzen RNA-Strang (auch Guide RNA genannt), der genau der DNA-Sequenz am Zielort entspricht. Wenn die Sonde diese „gefunden“ hat, dockt sie dort an, um den DNA-Doppelstrang exakt an dieser Stelle mit einer molekularen „Schere“ zu durchschneiden – bei CRISPR ist es das Cas9-Protein, das an die RNA-Sonde gekoppelt ist.

Anschließend treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion: Sie flicken den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen, allerdings meist mit kleinen „Fehlern“, etwa einer zufällig veränderten Reihenfolge der DNA-Bausteine. Deswegen kann das betreffende Gen nicht mehr richtig abgelesen werden, das entsprechende Genprodukt – ein bestimmtes Protein wird nicht mehr gebildet. Möglich ist auch, nach dem Schnitt im Zuge der Reparatur der Bruchstelle einzelne DNA-Bausteine auszutauschen oder auch kurze Sequenzen neu in den DNA-Strang einzubauen.

Der grundlegende Mechanismus – das Herbeiführen eines Doppelstrangbruchs und seine anschließende Reparatur – ist derselbe wie bei jeder zufälligen natürlichen Mutation. Auch die Mutationszüchtung nutzt genau diese Vorgänge. Nur sind es da Bestrahlung oder Chemikalien, die solche Brüche herbeiführen – allerdings völlig unkontrolliert und in großer Zahl. Der Unterschied: Mit der Gen-Schere CRISPR geschieht es präzise nur an einer einzigen vorbestimmten Stelle im Genom – genau an der, die für zu verändernde Eigenschaft verantwortlich ist. Diese Verfahren werden daher auch als zielgerichtete Mutagenese bezeichnet.

Gibt es bei CRISPR & Co ähnliche Risiken wie bei der Gentechnik?

Die Gen-Schere CRISPR und andere NGT-Verfahren verringern die Komplikationen, die aus den Zufälligkeiten der Züchtung erwachsen. Das bedeutet Zeit- und Kostenersparnis, aber auch mehr Sicherheit und Kontrolle durch mehr Präzision. Jede Züchtung basiert darauf, Gene zu verändern oder neu zu kombinieren, aber nur bei den Genome Editing-Verfahren sind diese Veränderungen im Einzelnen bekannt – damit unterscheiden die sich grundlegend von der herkömmlichen Züchtung, aber auch von der Gentechnik.

Bei der klassischen Gentechnik ist es vom Zufall abhängig, an welcher Stelle im Genom einer Pflanze das neue, zusätzliche Gen integriert wird – und in wieviel Kopien. Zudem werden aus technischen Gründen noch weitere Elemente, etwa Start- und Stoppsignale oder Regulatoren (Genkonstrukt) benötigt, die zusammen mit dem Gen übertragen werden müssen. Daraus leiten Kritiker ein grundsätzliches Risiko der Gentechnik ab: Der ungezielte Einbau des „fremden“ Gens an irgendeiner, im einzelnen unbekannten Stelle im Genom kann andere Gen-Funktionen beeinträchtigen und möglicherweise so die Eigenschaften einer Pflanze nachteilig verändern.

Solche „unbeabsichtigten Nebenwirkungen“ sind ein wesentlicher Grund dafür, dass für gentechnisch veränderte (gv-) Pflanzen in fast allen Ländern der Welt Zulassungsverfahren vorgeschrieben sind. Die Hersteller müssen die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen, bevor sie auf den Markt kommen. Bisher hat dieses seit mehr als 30 Jahren praktizierte Konzept gut funktioniert. Die Zulassungsverfahren für gv-Pflanzen sind jedoch so zeit- und kostenintensiv, dass sie nur noch von großen internationalen Konzernen zu bewältigen sind. (Inzwischen sind in einigen Ländern die Verfahren für gv-Pflanzen mit neuen Merkmalen, die sich als sicher erwiesen haben, vereinfacht.)

Ein „Risiko“ zufälliger oder unbeabsichtigter Veränderungen wie bei der Gentechnik gibt es bei editierten Pflanzen kaum. Zwar ist es durchaus möglich, dass das CRISPR/Cas-System den DNA-Strang ungewollt an einer falschen Stelle schneidet. Doch solche off Target-Effekte sind eigentlich nichts anderes als eine weitere zufällige Mutation, wie sie bei jeder natürlicher Vermehrung und Fortpflanzung in großer Zahl stattfindet. Je nach Umweltbedingungen kommt auf je 150 Millionen Basenpaare (DNA-Bausteine) eine Mutation. Das bedeutet: Eine Kartoffelpflanze unterscheidet sich von der nächsten durch sechs Mutationen, bei Weizen mit seinem ungewöhnlich großen Genom sind es sogar 100 Mutationen.

Bei der Mutationszüchtung (Mutagenese), seit Jahrzehnten praktiziert und selbst im Öko-Landbau akzeptiert, wird die Mutationsrate durch Chemikalien oder Strahlung um das 1000fache erhöht. Das ergibt etwa 100.000 zusätzliche Mutationen bei Weizen, 4000 bei Reis – alle zufällig und im einzelnen unbekannt. Eine besondere Sicherheitsbewertung für Pflanzen aus Mutationszüchtung gibt es in keinem Land auf der Welt.

Dennoch will man off-Target-Effekte – unbeabsichtigte Mutationen – bei CRISPR-Anwendungen möglichst vermeiden. Inzwischen wurden die molekularen Werkzeuge – CRISPR-Sonden und vor allem verschiedene Varianten der Schneidewerkzeuge (Nukleasen) – weiterentwickelt und ihre Zielgenauigkeit noch einmal deutlich verbessert. Und: Je länger eine RNA-Sonde (Guide RNA) angelegt ist, mit der die jeweilige Zielregion im Genom aufgespürt wird, um so unwahrscheinlicher ist es, dass genau diese Sequenz zufällig noch einmal im Genom vorhanden ist. Nur wenn die Sonden-RNA mit Abschnitten im Genom genau übereinstimmt, kann es dort zu Fehlschnitten kommen.

„Keine Gentechnik durch die Hintertür“ – Sind solche Warnungen gerechtfertigt?

Organisationen und Aktionsgruppen, die von Anfang an die klassische Gentechnik bei Pflanzen grundsätzlich abgelehnt haben, wollen auch die neuen Verfahren verhindern. „Gentechnik strikt regulieren“, fordern sie und werfen damit alte Gentechnik und neue Gen-Schere in den gleichen Topf – obwohl sich beide fundamental voneinander unterscheiden. Die seit vielen Jahren unverändert wiederholte Pauschal-Einwände gegen Gentechnik werden einfach auf CRISPR- und andere NGT-Pflanzen übertragen. Mit ihnen seien „große Risiken für Mensch, Tier und Umwelt verbunden“. Das Vorsorgeprinzip gebiete es, „Maßnahmen zum Schutz von Umwelt und menschlicher Gesundheit zu ergreifen“.

Die für das Editieren erforderlichen CRISPR-Werkzeuge – Guide-RNA und Cas-Schneideproteine in Form synthetisch hergestellter DNA– werden in eine Pflanzenzelle eingeführt, oft mit bekannten gentechnischen Verfahren, etwa mit Agrobakterien. Der Zweck dieser Werkzeuge ist es, an einer vorbestimmten Stelle im Genom eine Mutation auszulösen. Diese wird unverändert an alle Nachkommen weitervererbt, auch im Saatgut, das aus einer editierten Pflanzen vermehrt wurde.

Dagegen soll der eingeführte DNA-Abschnitt für die CRISPR-Werkzeuge in der später genutzten Pflanze nicht mehr vorhanden sein. Er muss daher entfernt oder sollte erst gar nicht integriert werden. Nach den Mendel’schen Erbregeln ist diese CRISPR-DNA nach einer Kreuzung mit einer unveränderten Pflanze in der nächsten Generation nur in einem Viertel der Nachkommen vorhanden (siehe Grafik). Diese Pflanzen sind erfolgreich editiert, enthalten aber keine von außen eingeführte Gene. Sie sind überprüfbar „transgen-frei“. Nur mit diesen Pflanzen wird weitergearbeitet, etwa um damit eine neue Sorte zu züchten und zu vermehren.

Im Saatgut ist das neue, editierte Merkmal vorhanden – zum Beispiel eine Resistenz gegen Pilzkrankheiten – und wird bei jeder weiteren Vermehrung weitergegeben. DNA-Spuren, die eindeutige Rückschlüsse auf das genutzte Verfahren zulassen, gibt es nicht. Daher ist ein analytischer Nachweis, ob das Merkmal aus herkömmlicher Züchtung stammt, oder mit der Gen-Schere hineineditiert wurde, nicht möglich. (Mehr dazu im transGEN-Video CRISPR bei Pflanzen: Zum Beispiel Weizen)

Inzwischen ist es jedoch gar nicht mehr notwendig, das für die CRISPR-Operation erforderliche Genkonstrukt gentechnisch einzuführen. Neue DNA-freie Verfahren schaffen es, die für ein neues Merkmal verantwortlichen Mutation direkt zu editieren. Künftig könnten RNA-Sonde und Schneideprotein auch mit Nanopartikeln in die Pflanzenzelle transportiert werden – ganz ohne Gentechnik. Zudem hat sich die CRISPR-Technik zu einem Spektrum differenzierter Editier-Verfahren weiterentwickelt, die fallspezifisch eingesetzt werden können (Prime Editing, Base Editing).

Zielgerichtete Mutationszüchtung, keine „Neue Gentechnik“

In den einfachen Varianten (NGT1) führt Genome Editing zu Pflanzen mit punktuellen Veränderungen einzelner DNA-Bausteine – wie sie auch zufällig, ohne jeden technischen Eingriff unter natürlichen Bedingungen entstehen können. Am Ende ist in den editierten Produkten – etwa Saatgut – kein fremdes, von außen eingeführtes Gen-Material vorhanden. Anders als gentechnisch veränderte Pflanzen sind sie „transgen-frei“.

Dennoch entschied der EuGH (Europäische Gerichtshof) am 25. Juli 2018, dass die neuen Genome Editing-Verfahren als Gentechnik anzusehen sind und den gleichen Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften unterliegen wie gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Grundlage des Urteils war eine rein juristische Interpretation des bestehenden EU-Gentechnikrechts. Doch das ist im Kern mehr als 30 Jahre alt und stammt aus einer Zeit, als auch in der Wissenschaft sich niemand Verfahren wie die Gen-Schere CRISPR vorstellen konnte.

Über Jahre legten wissenschaftlich überholte Gesetze noch immer die Bedingungen fest, unter denen Verfahren der gezielten Mutagenese wie CRISPR&Co angewandt werden müssen. De facto wirken sie als Verbote: Die teuren, aufwändigen Zulassungsverfahren nach Gentechnik-Recht sind für Forschungsreinrichtungen oder kleine Unternehmen kaum zu erfüllen. Gerade angepasste Züchtungen, die auf regionale klimatische Bedingungen und Krankheiten reagieren, werden damit verhindert. Spezielle gentechnik-spezifische Auflagen machen Anbau und Vermarktung in Europa unwirtschaftlich. Zudem müssten genom-editierte Pflanzen und Produkte als „gentechnisch verändert“ gekennzeichnet werden – was nicht nur wissenschaftlich falsch ist, sondern das Negativ-Image der Gentechnik auf die neuen Verfahren überträgt.

Zahlreiche Länder außerhalb der EU haben NGT-Pflanzen bereits aus dem alten Gentechnik-Recht herausgenommen Einige gehen fallweise vor, andere geben einfache editierte Pflanzen ohne „fremdes“ DNA-Material generell frei. In den USA sind bereits zahlreiche editierte Pflanzen, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, als „nicht-GVO“ klassifiziert worden, etwa Weizen, Sojabohnen, Kartoffeln, Mais, Bananen, Orangen oder Tomaten mit verschiedenen neuen Merkmalen. Weder bei Freilandversuchen, noch im Falle eines kommerziellen Anbaus gelten für diese Pflanzen besondere Regeln.

International haben sich alle großen Wissenschaftsorganisationen für eine Überarbeitung der veralteten GVO-Definition ausgesprochen. Sie empfehlen, genom-edierte Pflanzen dann von den Gentechnik-Vorschriften auszunehmen, wenn keine artfremde genetische Information eingeführt wurde und die Veränderung sich auch natürlich-zufällig oder durch herkömmliche Züchtung hätte ergeben können. An diesem Grundsatz orientiert sich auch der Vorschlag für eine „Verordnung über mit bestimmten neuen genomischen Techniken gewonnene Pflanzen“, den die EU-Kommission 2023 in den komplizierten europäischen Gesetzgebungsprozess eingebracht hat.

Inzwischen haben EU-Parlament (Februar 2024) und die Mitgliedstaaten der Europäischen Union (März 2025) zugestimmt, wenn auch mit zahlreichen Änderungswünschen. Im Dezember 2025 einigten sich Rat und Parlament im Trilog-Verfahren auf eine gemeinsame Fassung. Diesen Kompromiss haben die Mitgliedstaaten im Rat bereits mit der erforderlichen qualifizierten Mehrheit bestätigt (April 2026), die Schlussabstimmung im Parlament steht im Mai auf der Tagesordnung. Zwei Jahre später, vermutlich im Mai 2028, treten die neuen Regeln in Kraft.