Wissenschaftliche Publikationen

Kawall, K. (2021) The Generic Risks and the Potential of SDN-1 Applications in Crop Plants. Plants 2021, 10, 2259. Environmental Sciences Europe 33 (1):38. doi:10.1186/s12302-021-00482-2

Im Zentrum der Publikation stehen sogenannte SDN-1-Anwendungen der ‚Gen-Scheren‘ wie CRISPR/Cas, die kleine genetische Veränderungen im Erbgut von Zielorganismen bewirken können. Werden diese mehrfach und in Kombination angewandt, kann es zu erheblichen Veränderungen des Stoffwechsels und der Inhaltsstoffe von Pflanzen kommen. Die Studie gibt einen Überblick, wie hoch der Anteil von komplexen SDN-1-Anwendungen (Multiplexing und Veränderung von mehreren Genvarianten) und einzelnen Punktmutationen in marktorientierten Nutzpflanzen ist. Dafür wurde ein bereits vorher veröffentlichter Datensatz (Modrzejewski et al. 2020) analysiert und die durch SDN-1-Anwendungen herbeigeführten Veränderungen in die Kategorien Multiplexing, Veränderung mehrerer Genvarianten und Veränderung einzelner Gene eingeteilt. Es zeigt sich, dass mit Hilfe von SDN-1-Anwendungen in etwas mehr als der Hälfte der untersuchten Nutzpflanzen einzelne Gene ausgeschaltet werden. Darunter befindet sich auch die bereits in Japan zugelassene ‚CRISPR-Tomate‘, die einen stark erhöhten Gehalt eines blutdrucksenkenden Inhaltsstoffes (GABA) aufweisen soll. Die entsprechenden Gene konnten mit konventioneller Züchtung bisher nicht so verändert werden, wie dies mit der Gen-Schere gelang. In den übrigen Studien wurden komplexere SDN-1-Anwendungen, wie beispielsweise das Ausschalten mehrerer verschiedener Gene, durchgeführt.
→ weiterlesen

 

Kawall, K. (2021) Genome-edited Camelina sativa with a unique fatty acid content and its potential impact on ecosystems. Environmental Sciences Europe 33 (1):38. doi:10.1186/s12302-021-00482-2
Die Studie gibt einen Überblick darüber, welche ungewollten und unerwarteten Auswirkungen eine Freisetzung von genomeditierten Pflanzen auf Ökosysteme haben kann. Diese Effekte ergeben sich aus den beabsichtigten Eigenschaften, die durch die Anwendung von Genome-Editing-Verfahren wie der Genschere CRISPR/Cas herbeigeführt wurden und die verschiedene Stoffwechselprozesse beeinflussen können. Die Möglichkeiten und die Geschwindigkeit, mit denen das Erbgut von Pflanzen verändert werden kann, werden durch den Einsatz von CRISPR/Cas stark erhöht. Dabei kommt es nicht darauf an, ob zusätzliche Gene in das Erbgut eingebaut werden. Auch kleine genetische Veränderungen, bewirkt durch sogenannte SDN-1-Anwendungen der Genschere, die mehrfach und in Kombination eingeführt werden, können Stoffwechselwege und Inhaltsstoffe erheblich verändern.
weiterlesen

 

Kawall, K., Cotter, J., Then, C. (2020) Broadening the GMO risk assessment in the EU for genome editing technologies in agriculture Environ Sci Eur 32, 106. doi: 10.1186/s12302-020-00361-2

In der Studie werden die Risiken beschrieben, die mit dem Einsatz von neuen Gentechnikverfahren bei Pflanzen und Tieren einhergehen. Zum einen sind das unbeabsichtigte Veränderungen des Erbguts, die durch die gentechnischen Eingriffe ausgelöst werden. Zum anderen sind auch die beabsichtigten Eingriffe, die durch die Genomeditierung entstehen, mit Risiken verbunden.
Die Studie gibt einen Überblick über die Techniken der neuen Gentechnikverfahren und beschreibt unbeabsichtigte Effekte, die spezifisch für deren Anwendung sind. Solche unbeabsichtigten Effekte können sogenannte „Off-Target-Effekte“ sein, also ungewollte Veränderungen an anderen Stellen des Erbgutes, als eigentlich beabsichtigt war. Außerdem kann es zu „On-Target-Effekten“ kommen, bei denen unbeabsichtigte Veränderungen in bzw. in der Nähe der Zielregion im Erbgut auftreten. Dazu zählt beispielsweise der ungewollte Einbau von zusätzlichen DNA-Sequenzen oder unbeabsichtigte Umstrukturierungen des Erbguts. In vielen Fällen werden immernoch die Methoden der alten und neuen Gentechnik miteinander kombiniert, um die Genscheren in die Zellen einzubringen. Deswegen können auch ungewollte Effekte auftreten, die durch diese älteren Gentechnikverfahren entstehen.
Mit den neuen Gentechnikverfahren können Veränderungen in einem Umfang am Erbgut von Zielorganismen gemacht werden, wie sie bislang kaum möglich waren. Dabei werden häufig gezielt, kleine Veränderungen am Erbgut gemacht und in der Summe besitzen die Zielorganismen ganz neue genetische Kombinationen. Dabei kommt es nicht darauf an, ob zusätzlich Gene in das Erbgut eingeführt werden. Die beabsichtigten Veränderungen können erhebliche Auswirkungen auf Stoffwechselwege und Inhaltsstoffe haben. Deswegen müssen die neuen Eigenschaften auch dann eingehend auf Risiken geprüft werden, wenn keine neuen Gene eingefügt werden.

 

Then, C., Kawall, K., Valenzuela, N. (2020) →  Spatio-temporal controllability and environmental risk assessment of genetically engineered gene drive organisms from the perspective of EU GMO Regulation Integr Environ Assess Manag. doi:10.1002/ieam.4278

Gene-Drive-Organismen geben gentechnisch hergestellte Elemente an ihre Nachkommen weiter, die mit einer höheren Wahrscheinlichkeit vererbt werden als nach den natürlichen Vererbungsregeln. Die Risikobewertung solcher Gene-Drive-Organismen stellt eine besondere Herausforderung dar, da nachfolgende Generationen dieser gentechnisch veränderten Organismen Eigenschaften aufweisen können, die in früheren Generationen nicht beobachtet beziehungsweise nicht beabsichtigt waren. Solche unbeabsichtigten Effekte können durch die Hybridisierung des Gene-Drive-Konstrukts mit natürlichen Populationen entstehen und/oder durch sich ändernde Umweltbedingungen ausgelöst werden. Das ist besonders relevant bei Gene-Drive-Elementen, die invasive Eigenschaften haben und typischerweise Dutzende von Generationen benötigen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Unter diesen Umständen können diese sogenannten „next generation effects“ die räumliche und zeitliche Komplexität, die mit einem hohen Maß an Unsicherheit in der Risikobewertung verbunden ist, erheblich erhöhen. Um diese Probleme zu lösen, schlagen wir die Einführung eines neuen, zusätzlichen Schritts in der Risikobewertung von Gene-Drive-Organismen vor, der diese drei Kriterien berücksichtigt: die Biologie der Zielorganismen, ihre natürlich vorkommenden Wechselwirkungen mit der Umwelt (biotisch und abiotisch) und ihre beabsichtigten biologischen Eigenschaften, die mit Hilfe von Gentechnik in die Organismen eingebracht wurden. Diese drei Kriterien werden in einem zusätzlichen Schritt innerhalb der Risikobewertung zusammengeführt und die räumlich-zeitliche Kontrollierbarkeit von Gene-Drive-Organismen bewertet. Letztere kann verwendet werden, um sogenannte „Cut-off“-Kriterien bei der Risikoanalyse zu definieren: Wenn es wahrscheinlich ist, dass Gene-Drive-Organismen der räumlich-zeitlichen Kontrollierbarkeit entgehen, kann die Risikobewertung nicht ausreichend belastbar sein, da sie nicht schlüssig ist. Unter solchen Umständen wäre die Freisetzung der Gene-Drive-Organismen in die Umwelt nicht mit dem Vorsorgeprinzip vereinbar.

 

Bauer-Panskus, A., Miyazaki, J., Kawall, K., Then, C. (2020) Risk assessment of genetically engineered plants that can persist and propagate in the environment  Environ Sci Eur 32, 32. doi: 10.1186/s12302-020-00301-0

Gentechnisch veränderte Pflanzen, die in der Umwelt überdauern, sich vermehren und Nachkommen produzieren können, stellen besondere Herausforderungen an die Risikobewertung dar. Verschiedene genetische Hintergründe und unerwartete Effekte können Auswirkungen auf nachfolgende Generationen haben und durch unterschiedliche Umweltbedingungen ausgelöst werden. Eine Bewertung biologischer Eigenschaften des ursprünglichen Events allein reicht nicht aus, um ungewollte Effekte zu identifizieren, die in nachfolgenden Generationen auftreten können. Risiken, die von der Europäischen Lebensmittelsicherheitsbehörde EFSA (European Food Safety Authority) identifiziert wurden, sind das Auftreten von Unkräutern und die Verdrängung von heimischen Pflanzenarten, was zu erheblichen Störungen der Ökosysteme führen kann. Unerwartete und nicht beabsichtigte Effekte in den nachfolgenden Generationen, die von einer spontanen Ausbreitung und einer möglichen Auskreuzung ausgehen, werden bei der Bewertung des Umweltrisikos (environmental risk assessment, ERA) dagegen kaum berücksichtigt. Auf der Basis unserer Literaturrecherche und der Risikobewertung, wie sie zur Zeit von der EFSA durchgeführt wird, können wir schlussfolgern, dass die Risikobewertung von gentechnisch veränderten Organismen, die in der Umwelt überdauern und sich spontan ausbreiten können, einem hohen Maß an räumlich-zeitlicher Komplexität unterliegt und daher mit vielen Unsicherheiten einhergeht. Wir empfehlen die Einführung von neuen Ausschlusskriterien (‚cut off criteria‘) in der Risikobewertung von gentechnisch veränderten Pflanzen, die die Grenzen des Wissens berücksichtigen. Diese Kriterien sollten als spezifische Stufe (‚räumlich-zeitliche Kontrollierbarkeit‘) innerhalb der Risikobewertung eingeführt werden, in der klar festgelegte biologische Eigenschaften untersucht werden. Diese zusätzliche Stufe in der Risikobewertung wird deren Verlässlichkeit im Zuge der Entscheidungsfindung über mögliche Freisetzungen stärken.

 

Kawall, K. (2019)New Possibilities on the Horizon: Genome Editing Makes the Whole Genome Accessible for Changes. Front. Plant Sci. 10:525. doi: 10.3389/fpls.2019.00525

Genome-Editing-Verfahren bieten der Wissenschaft und der Züchtung ganz neue Möglichkeiten, das Erbgut von Organismen zu verändern. Insbesondere CRISPR/Cas ist ein Werkzeug, das in den letzten Jahren eine sehr schnelle Weiterentwicklung erfahren und eine hohe Anwenderzahl erreicht hat. In diesem Review werden zum einen die Möglichkeiten, die CRISPR/Cas bietet, erläutert und zum anderen diese dann mit natürlicherweise auftretenden und induzierten Mutationen verglichen. Dabei zeigt sich, dass durch CRISPR/Cas induzierte Veränderungen mit denen, die auf anderem Wege entstehen können, oft nicht gleichzusetzen sind, auch wenn keine zusätzlichen Gene eingefügt werden.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass CRISPR/Cas vielfältig eingesetzt werden kann, um genetische Grenzen aufzubrechen und neue genetische Kombinationen hervorzubringen, die bisher nicht möglich waren. Dies ist selbstverständlich eine Chance für die Züchtung und Wissenschaft, die genutzt werden kann, um ganz neue Eigenschaften in Pflanzen zu erforschen und zu entwickeln. Es zeigt aber auch, dass die Möglichkeiten für die Anwendung von CRISPR/Cas sehr vielfältig und komplex sein können und deren Risikobewertung nicht auf die Untersuchung einzelner Punktmutationen beschränkt werden kann. Die resultierenden Muster und Kombinationen der genetischen Veränderungen können in ihrer Gesamtheit oft nicht oder nur mit geringer Wahrscheinlichkeit durch natürliche Mutationen oder induzierte Mutagenese erreicht werden.