Lexikon des Agrarraums

CRISPR-Cas-System

Engl. Akronym für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, dt. Abschnitte sich wiederholender DNA, CRISPR-associated‚ dt. CRISPR-assoziiert).

Die CRISPR/Cas-Methode basiert auf einem adaptiven antiviralen Abwehrmechanismus von Bakterien, dem CRISPR. Es handelt sich um eine biochemische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern (Genome Editing). Gene können mit dem CRISPR/Cas-System eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden, auch Nukleotide in einem Gen können geändert werden.

Die wissenschaftliche Grundlage zur Entwicklung der CRISPR/Cas-Methode wurde durch die Entdeckung und Erforschung der CRISPR-Sequenzen und des damit verbundenen CRISPR/Cas-Systems im Immunsystem verschiedener Bakterien und Archaea gelegt.

Ursprünglich 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. Nachdem dieser Mechanismus im Einzelnen verstanden war, hatten Wissenschaftler vor wenigen Jahren (2012) die geniale Idee, daraus ein molekularbiologisches Werkzeug der DNA-Veränderung zu entwickeln. Überraschenderweise funktioniert das System aus CRISPR und der Schere Cas9 nicht nur bei Bakterien, sondern universal bei allen lebenden Zellen – in menschlichen, aber auch in denen von Tieren und Pflanzen. Die Nuklease Cas9 ist zurzeit das Hauptinstrument der Genom-Editierung.

Schneiden, Einfügen oder Ausschalten

Genome Editing mit der CRISPR/CAS9-Methode

Schematische Darstellung

Das CRISPR/Cas9-System umfasst die derzeit in den Labors beliebteste DNA-Schere. Bei dieser Methode des Genome Editing muss dem Enzym Cas9 lediglich eine so genannte guide-RNA angehängt werden („Lotsen“-Funktion) - sie übernimmt die Rolle der viralen DNA, d.h. die Erkennung. Findet Cas9 das dazu passende Stück genomischer DNA, schneidet es den Erbgutstrang. Dieser DNA-Bruch kann anschließend auf unterschiedliche Weise durch zelleigene Prozesse wieder repariert werden, wobei Mutationen entstehen können

Quelle: Fleischatlas 2018, CC BY 4.0

Virale DNA kann nach einer Virusinfektion in der CRISPR-DNA eingebaut und bei einem späteren Virusangriff als eine Art „molekulares Gedächtnis“ benutzt werden. Mithilfe von Cas-Proteinen wird somit die fremde DNA abgebaut und das Virus getötet.

Es gibt drei unterschiedliche CRISPR/Cas-Systeme, die aufgrund von den beteiligten Cas-Proteinen sowie von Erkennungsmerkmalen auf der Target-DNA klassifiziert sind.

Typ I und III schneiden die Target-DNA mithilfe von großen Cas-Proteinkomplexen, während Typ II nur das Protein Cas9 braucht. Typ I und II erkennen und schneiden die Target-DNA dank einer sogenannten PAM-Sequenz auf der fremden DNA.

CRISPR/Cas in der Landwirtschaft

CRISPR/Cas hat vor allem für die landwirtschaftliche Pflanzenzüchtung eine große Bedeutung. Dieses leichtere, effizientere und flexiblere Verfahren eröffnet zum Beispiel Möglichkeiten, Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen schädliche Pilze, Viren und Bakterien zu machen. Auf diese Weise können krankheitsbedingte Ertragsverluste und zugleich der Pflanzenschutzmittelaufwand minimiert werden. Pflanzen können zudem hitze- und dürreverträglicher gemacht werden, um den Folgen des Klimawandels entgegenzuwirken.

Erste Erfolge gibt es bereits: So ist es Forscherinnen und Forschern gelungen, mit CRISPR/Cas eine Weizensorte zu entwickeln, die eine wirksame Resistenz gegen den bedeutenden Schadpilz Mehltau zeigt. Es gibt aber auch andere Anwendungsbereiche: So konnten spanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise mit CRISPR/Cas glutenfreien Weizen erzeugen. Forscherinnen und Forscher in Kiel haben mit dem neuen Züchtungswerkzeug Raps entwickelt, der über festere Schoten verfügt, sodass die Samenverluste während der Ernte wesentlich geringer sind.

CRISPR-Pflanzen sind aktuell (2026) erst in bescheidenem Umfang auf dem Markt, insbesondere in Ländern wie den USA, China und Argentinien, wo sie weniger streng reguliert sind als in der EU. Beispiele sind stärkeoptimierter Mais ("Waxy Maize") oder Sojabohnen. In der EU sind sie aktuell noch nicht zugelassen, aber Feldversuche laufen.

Im Kern ist es beschlossene Sache: Pflanzen, die mit neuen genomischen Verfahren (NGT) wie etwa der Gen-Schere CRISPR/Cas gezüchtet wurden, fallen in der EU künftig nicht mehr unter die Gentechnik-Gesetze, sondern werden wie herkömmliche Pflanzen behandelt. Voraussetzung ist, dass NGT-Pflanzen auch unter natürlichen Bedingungen oder durch konventionelle Züchtung hätten entstehen können. In der Verordnung sind dazu Äquivalenzkriterien festgelegt.

Geplantes Vieh

Gentechnische Veränderungen an Nutztieren

Höherer Ertrag, weniger Verluste - so lautet das Versprechen der Forschungsunternehmen bei fast allen diesen Projekten. Politik und Gesellschaft stehen vor einer grundlegenden Weichenstellung. Risiken lassen sich auch bei sorgfältiger Prüfung zu wenig ausschließen oder auch nur kontrollieren.

Quelle: Fleischatlas 2018, CC BY 4.0

Weitere Informationen:

• DNA-Scheren an der Arbeit (Fleischatlas 2018)
• Die neue Gen-Revolution: Was man zu CRISPR/Cas wissen sollte (transGEN)
• Was CRISPR/Cas leisten kann (pflanzenforschung.de)
• Genome Editing - Präzise Schnitte im Genom (TTN Institut LMU)
• CRISPR/Cas in der Pflanzenzucht: Bedrohung oder Chance? (BLE 2022)