Insulin aus Bakterien
Bis in die 1980er-Jahre stammte Insulin aus den Bauchspeicheldrüsen von Rindern und Schweinen aus dem Schlachthof. Heute stellen Bakterien und Hefen das menschliche Hormon her – in Tonnen. Humaninsulin war das erste gentechnisch hergestellte Medikament der Welt und ist bis heute das Paradebeispiel dafür, was Gentechnik leisten kann.
Einfach erklärt
Insulin ist ein Botenstoff aus der Bauchspeicheldrüse. Es senkt den Blutzucker. Bei Diabetes ist der Blutzucker dauerhaft zu hoch. Viele Menschen mit Diabetes brauchen deshalb Insulin. Bis in die 1980er-Jahre stammt es aus dem Schlachthof. Man gewinnt es aus den Organen von Rindern und Schweinen.
Heute stellen Bakterien menschliches Insulin her. Forschende bauen dafür das Gen für Insulin in ein Plasmid ein. Das ist ein kleiner DNA-Ring in Bakterien. Die Bakterien nehmen das Plasmid auf. In großen Stahltanks vermehren sie sich. Dabei bilden sie eine Vorstufe von Insulin. Im Labor wird daraus fertiges Insulin. Auch Backhefe kann Insulin herstellen.
Das Wichtigste:
- 1978 gelingt die Herstellung in Bakterien zum ersten Mal.
- 1982 erlaubt die US-Behörde das Insulin als erstes Gentechnik-Medikament.
- Es gleicht genau dem Insulin vom Menschen.
- Das fertige Insulin enthält keine Bakterien und keine DNA.
Merke: Bakterien mit einem menschlichen Gen stellen heute Insulin für Menschen mit Diabetes her.
Das lernst du hier
- Du kannst erklären, welche Aufgabe Insulin im Körper hat und warum Menschen mit Diabetes es brauchen.
- Du beschreibst die Schritte, mit denen Bakterien menschliches Insulin herstellen.
- Du vergleichst tierisches Insulin, Humaninsulin und Insulinanaloga.
- Du ordnest die Entwicklung zeitlich ein (1978, 1982) und bewertest ihre Bedeutung.
Insulin und Diabetes
Insulin ist ein Hormon, das in den Betazellen der Bauchspeicheldrüse gebildet wird. Nach einer Mahlzeit steigt der Blutzucker. Insulin sorgt dafür, dass Muskel-, Fett- und Leberzellen Traubenzucker (Glukose) aufnehmen und der Blutzucker wieder sinkt. Chemisch ist Insulin ein kleines Protein aus zwei Ketten: der A-Kette mit 21 und der B-Kette mit 30 Aminosäuren, verbunden durch Schwefelbrücken (Disulfidbrücken).
Bei Diabetes mellitus („Zuckerkrankheit“) ist der Blutzucker dauerhaft zu hoch. Beim Typ-1-Diabetes zerstört das eigene Immunsystem die Betazellen; Betroffene sind ihr Leben lang auf Insulin angewiesen. Der viel häufigere Typ-2-Diabetes entsteht, weil die Körperzellen schlechter auf Insulin reagieren; hier helfen zunächst Bewegung, Ernährung und Tabletten, später oft ebenfalls Insulin. In Deutschland sind Millionen Menschen an Diabetes erkrankt.
Von der Bauchspeicheldrüse zum Bakterium
1921 gelang es Frederick Banting und Charles Best in Toronto, Insulin aus Bauchspeicheldrüsen zu gewinnen. Im Januar 1922 rettete es zum ersten Mal einem Jungen mit Typ-1-Diabetes das Leben. Jahrzehntelang wurde Insulin danach aus den Bauchspeicheldrüsen von Schlachttieren gewonnen. Das hatte Nachteile: Schweineinsulin unterscheidet sich vom menschlichen in einer Aminosäure, Rinderinsulin in drei. Manche Patientinnen und Patienten bildeten Antikörper oder reagierten allergisch. Zudem hing die Versorgung von der Zahl der Schlachttiere ab.
Die Gentechnik löste das Problem. Am 24. August 1978 gelang dem jungen US-Unternehmen Genentech zusammen mit dem Forschungszentrum City of Hope die Herstellung von menschlichem Insulin in Bakterien. Dafür hatten die Forschenden die Gene für die A- und die B-Kette im Labor zusammengesetzt und jeweils in E. coli eingebracht. Die beiden getrennt gebildeten Ketten wurden anschließend chemisch verbunden. Im Oktober 1982 ließ die US-Arzneimittelbehörde FDA das Präparat zu: Es war das erste gentechnisch hergestellte Arzneimittel.
So wird Insulin heute hergestellt
- Gen bereitstellenEin DNA-Abschnitt mit der Bauanleitung für Proinsulin wird im Labor synthetisiert. Proinsulin ist die natürliche Vorstufe des Insulins: B-Kette, Verbindungsstück (C-Peptid) und A-Kette in einer langen Kette.
- In ein Plasmid einbauenMit Restriktionsenzymen und Ligase wird das Gen in ein Plasmid eingesetzt, zusammen mit einem Promotor, der das Gen in Bakterien ablesbar macht, und einem Resistenzgen.
- Bakterien transformierenE. coli nimmt das Plasmid auf. Auf Nährboden mit Antibiotikum wachsen nur Bakterien mit Plasmid.
- Im Fermenter vermehrenIn großen Stahltanks vermehren sich die Bakterien und bilden große Mengen Proinsulin.
- Reinigen und umwandelnDie Bakterien werden aufgeschlossen, das Proinsulin gereinigt und richtig gefaltet. Enzyme schneiden das C-Peptid heraus – so wie es auch die Betazellen im Körper tun. Übrig bleibt Humaninsulin.
Neben E. coli wird auch Backhefe als Produzent eingesetzt. Hefezellen können das Protein ins Nährmedium abgeben, was die Reinigung erleichtert. Das fertige Insulin enthält keine Bakterien und keine DNA mehr. Die Grundlagen dieser Technik findest du unter Gentechnik im Überblick. Wie ein Plasmid aufgebaut ist und wie das Gen hineingelangt, zeigt die Seite Plasmide: die Genfähren der Gentechnik.
Merke
Für Humaninsulin wird das menschliche Gen in ein Plasmid eingebaut und in Bakterien (oder Hefen) gebracht. Diese bilden das Hormon – genau mit der Aminosäurefolge des menschlichen Insulins. 1982 wurde es als erstes gentechnisch hergestelltes Arzneimittel zugelassen.
Wusstest du?
In Deutschland verzögerte sich die gentechnische Insulinproduktion um Jahre. Gegen eine Anlage des Chemieunternehmens Hoechst in Frankfurt am Main gab es Proteste und Gerichtsverfahren. 1989 entschied ein Gericht, dass für den Betrieb solcher Anlagen eine gesetzliche Grundlage fehlte. 1990 trat das Gentechnikgesetz in Kraft.
Rinderinsulin, Schweineinsulin, Humaninsulin und Analoga im Vergleich
| Tierisches Insulin | Humaninsulin | Insulinanaloga | |
|---|---|---|---|
| Herkunft | Bauchspeicheldrüsen von Schwein oder Rind | gentechnisch veränderte Bakterien oder Hefen | gentechnisch veränderte Bakterien oder Hefen |
| Aminosäurefolge | Schwein: 1, Rind: 3 Aminosäuren anders als beim Menschen | identisch mit menschlichem Insulin | gezielt an einzelnen Stellen verändert |
| Besonderheit | Abhängig von Schlachttieren, häufiger Antikörperbildung | in beliebiger Menge, gleichbleibende Qualität | wirken schneller oder länger als Humaninsulin |
| Seit | 1922 | 1982 (USA) | 1996 (erstes schnell wirkendes Analogon) |
Insulinanaloga zeigen, wie Gentechnik über das bloße Kopieren hinausgeht: Durch gezielten Austausch einzelner Basen im Gen entstehen Insuline mit leicht veränderter Aminosäurefolge. Manche wirken schon wenige Minuten nach dem Spritzen und passen gut zu einer Mahlzeit, andere geben ihre Wirkung gleichmäßig über einen ganzen Tag ab. Viele Menschen mit Diabetes kombinieren beide Arten. Wie Insulin vor der Gentechnik aus Schlachttieren gewonnen wurde, erzählt die Seite Rinderinsulin und Schweineinsulin.
Typische Fehler
- „Gentechnisches Insulin enthält Bakterien-Gene.“ Falsch – gespritzt wird nur das gereinigte Protein. Es hat genau die Aminosäurefolge des menschlichen Insulins.
- „Das Insulin-Gen wird aus menschlichen Zellen ausgeschnitten und direkt in Bakterien eingesetzt.“ So einfach geht es nicht: Menschliche Gene enthalten Introns, die Bakterien nicht entfernen können. Deshalb nutzt man im Labor synthetisierte oder aus mRNA umgeschriebene DNA ohne Introns.
- „Tierisches Insulin war wirkungslos.“ Nein – es hat Millionen Menschen das Leben gerettet. Humaninsulin ist aber besser verträglich und unbegrenzt verfügbar.
Vertiefung: Warum Bakterien keine menschlichen Gene ablesen können – und wie man das löst
Gene von Eukaryoten bestehen aus Exons (codierenden Abschnitten) und Introns (Zwischenstücken). Im Zellkern wird zuerst die gesamte Prä-mRNA gebildet, dann werden die Introns herausgeschnitten (Spleißen). Bakterien haben keine Introns und keine Spleiß-Maschinerie. Ein menschliches Gen mit Introns würde in E. coli falsch übersetzt.
Lösungen:
- Chemische Gensynthese: Genentech baute 1978 die DNA-Abschnitte für die A- und die B-Kette Base für Base im Labor auf – passend zum genetischen Code, aber ohne Introns.
- cDNA: Aus der fertigen mRNA einer Zelle schreibt das Enzym Reverse Transkriptase eine DNA-Kopie (complementary DNA). Sie enthält nur die Exons.
Außerdem braucht das Gen einen bakteriellen Promotor als Startsignal und eine Ribosomenbindestelle. Oft wird das Zielprotein zunächst als Teil eines größeren Fusionsproteins gebildet, damit es nicht sofort von bakteriellen Enzymen abgebaut wird. In E. coli lagert sich das Proinsulin häufig zu unlöslichen Klumpen (Einschlusskörperchen) zusammen. Es muss dann aufgelöst und neu gefaltet werden, damit sich die drei Disulfidbrücken korrekt bilden.
Beispiele für Insulinanaloga: Beim schnell wirkenden Insulin lispro (1996) sind zwei benachbarte Aminosäuren am Ende der B-Kette (Positionen 28 und 29) vertauscht. Dadurch lagern sich die Moleküle nach dem Spritzen schlechter zu Sechser-Gruppen zusammen und gelangen schneller ins Blut. Beim lang wirkenden Insulin glargin sind die Aminosäure am Ende der A-Kette ausgetauscht und zwei zusätzliche Aminosäuren an die B-Kette angehängt. Es fällt im Gewebe aus und löst sich nur langsam wieder auf.
Vertiefen: zwei Kapitel zum Insulin
Fachbegriffe
- Insulin
- Hormon der Bauchspeicheldrüse, das den Blutzucker senkt; aus A-Kette (21) und B-Kette (30 Aminosäuren).
- Diabetes mellitus
- Stoffwechselkrankheit mit dauerhaft erhöhtem Blutzucker.
- Humaninsulin
- Gentechnisch hergestelltes Insulin mit der Aminosäurefolge des menschlichen Hormons.
- Proinsulin
- Vorstufe des Insulins aus B-Kette, C-Peptid und A-Kette.
- Insulinanalogon
- Gezielt verändertes Insulin mit schnellerer oder längerer Wirkung.
- Fermenter
- Großer Behälter, in dem Mikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen wachsen.
- Intron
- Nicht codierender Abschnitt in Genen von Eukaryoten, der vor der Translation herausgeschnitten wird.
Aufgaben
- AFB IBeschreibe anhand von Abb. 1 die Herstellung von Humaninsulin in Bakterien.
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Proinsulin-Gen bereitstellen; mit Restriktionsenzym und Ligase in ein Plasmid mit Resistenzgen einbauen; E. coli transformieren; mit Antibiotikum Bakterien mit Plasmid auslesen; im Fermenter vermehren, Bakterien bilden Proinsulin; Proinsulin reinigen und falten, C-Peptid enzymatisch herausschneiden; Insulin reinigen. - AFB INenne zwei Nachteile von tierischem Insulin.
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Abweichende Aminosäurefolge (Schwein 1, Rind 3 Aminosäuren), dadurch häufiger Antikörperbildung oder allergische Reaktionen; begrenzte Verfügbarkeit, abhängig von Schlachttieren. - AFB IIErkläre, warum man für die Insulinproduktion in Bakterien nicht einfach das Insulin-Gen aus einer menschlichen Zelle verwenden kann.
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Menschliche Gene enthalten Introns. Bakterien können Introns nicht herausschneiden (kein Spleißen) und würden ein falsches Protein bilden. Außerdem fehlt ein bakterieller Promotor. Deshalb nutzt man synthetische DNA oder cDNA (aus mRNA umgeschrieben) ohne Introns und setzt sie hinter einen bakteriellen Promotor. - AFB IISchweineinsulin unterscheidet sich vom menschlichen nur in der letzten Aminosäure der B-Kette (Alanin statt Threonin). Gib an, wie man durch eine Veränderung im Gen aus „Schweineinsulin“ Humaninsulin machen könnte, und erläutere den Zusammenhang zum genetischen Code.
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Das Codon für Alanin (GCN, z. B. GCU) müsste so verändert werden, dass es für Threonin codiert (ACN, z. B. ACU) – durch Austausch der ersten Base G gegen A. Eine einzige Basenänderung im Gen führt so zu einer anderen Aminosäure. Genau so entstehen auch Insulinanaloga. - AFB IIIBewerte die Aussage: „Insulin aus Bakterien zeigt, dass Gentechnik grundsätzlich unbedenklich ist.“
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Das Beispiel zeigt großen Nutzen und geringe Risiken: Produktion in geschlossenen Anlagen, gereinigtes Produkt ohne lebende GVO, jahrzehntelange Erfahrung. Daraus lässt sich aber nicht auf alle Anwendungen schließen: Freisetzungen in die Umwelt, Eingriffe in die Keimbahn oder neue Verfahren haben andere Risiken und ethische Fragen. Jede Anwendung muss einzeln bewertet werden. Begründetes eigenes Urteil erwartet.
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Quellen & Stand
- GEN – Genetic Engineering & Biotechnology News: The Right Protein to Establish Recombinant Therapeutics.
- American Council on Science and Health: Record-Time FDA Approval of Human Insulin in 1982.
- vfa: Gentechnisch hergestellte Arzneimittel in Deutschland.
- Campbell Biologie, 11. Auflage, Pearson 2019 (Kapitel Biotechnologie und Hormone).
Stand: Oktober 2026.