Molekulare Biotechnologie

Frontmatter

1. Grundlagen der Biotechnologie

Zusammenfassung

Biotechnologie ist die Verwendung von lebenden Organismen für industrielle Prozesse. Sie wird insbesondere in der Landwirtschaft, bei der Herstellung von Lebensmitteln und in der Medizin eingesetzt. Seit Urzeiten macht sich der Mensch die Biotechnologie zunutze. Er begann mit der gezielten Veränderung seiner natürlichen Umgebung, um die Versorgung mit Nahrung, seine Behausung und seine Gesundheit zu verbessern. Doch die Nutzung der Biotechnologie ist nicht auf den Menschen beschränkt. Elefanten trinken beispielsweise vergorenen Fruchtsaft, um sich am Alkohol zu berauschen. Menschen stellen seit Jahrtausenden Wein, Bier, Käse und Brot her. All diese Prozesse beruhen auf Mikroorganismen, die die Ausgangssubstanzen verändern (Abb. 1.1). Seit Tausenden von Jahren wählen Bauern ertragreiche Kulturpflanzen aus und kreuzen diese miteinander. So wurden viele der heutigen Kulturpflanzen gezüchtet, die größere Früchte oder Samen tragen als ihre Vorfahren (Abb. 1.2).

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

2. DNA, RNA und Protein

Zusammenfassung

Zwei wichtige Eigenschaften von lebenden Organismen sind die Reproduktion ihres eigenen Genoms und ein eigener Energiestoffwechsel. Um dieses bewerkstelligen zu können, muss ein Organismus auf der Basis der in seiner DNA codierten Information selbst Proteine synthetisieren. Proteine sind für den Aufbau der Zelle, die ihr die Gestalt und die Struktur verleihen, essenziell. Zu den Proteinen zählen auch Enzyme, die Reaktionen des Energiestoffwechsels katalysieren, und sie regulieren zelluläre Prozesse wie die Replikation. Proteine bilden membrandurchspannende Kanäle und stellen so die Kommunikation und den Austausch von Stoffwechselmetaboliten zwischen den Zellen sicher. Die Proteinsynthese ist einer der wichtigsten Prozesse in allen lebenden Organismen.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

3. DNA-Rekombinationstechnologie

Zusammenfassung

Die Grundlage der gesamten biotechnologischen Forschung ist die Manipulation von DNA. Für die Arbeit mit rekombinanter DNA benötigen die Forscher eine Methode zur Isolierung von DNA aus verschiedenen Organismen. Die Gewinnung von DNA aus Bakterien ist am einfachsten, da Zellwand und Plasmamembran von Bakterien nur eine geringe Stabilität besitzen. Für Genmanipulationen werden Bakterien wie E. coli bevorzugt, weil sich ihre DNA leicht gewinnen lässt. E. coli enthält in der Zelle sowohl genomische als auch Plasmid-DNA. Genomische DNA ist viel größer als Plasmid-DNA, deshalb lassen sich beide Formen aufgrund ihrer Größe leicht voneinander trennen.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

4. DNA-Synthese in vivo und in vitro

Zusammenfassung

Bei der Replikation wird die gesamte genomische DNA vollständig entwunden und genau kopiert, sodass sie bei der Zellteilung auf die zwei Tochterzellen verteilt werden kann. Dieser komplexe und ausgeklügelte Prozess läuft in E. coli sehr schnell ab, die DNA-Polymerase kopiert etwa 1000 Nucleotide pro Sekunde, und auch in Eukaryoten sind es pro Sekunde noch 50 Nucleotide. Da viele Anwendungen in der Biotechnologie auf den Prinzipien der Replikation beruhen, werden in diesem Kapitel zunächst die Grundlagen der DNA-Replikation, wie sie in der Zelle stattfindet, behandelt. Anschließend gehen wir auf einige der in Gentechnik und Biotechnologie am häufigsten verwendeten Methoden ein, bei denen die DNA-Polymerase eingesetzt wird. Dazu gehören die chemische Synthese von DNA, die Polymerasekettenreaktion und die Sequenzierung von DNA.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

5. RNA-Technologien

Zusammenfassung

RNA hat in der Biologie vielerlei Funktionen, die sich für viele biotechnologische Anwendungen nutzen lassen. Die am besten verstandene Rolle der RNA ist die der Messenger-RNA. Über viele Jahre hinweg nahm man an, dass RNA ein Zwischenprodukt mit einer wichtigen, aber dennoch beschränkten Funktion ist. Heutzutage weiß man, dass ein wichtiger Teil der Genregulation auf RNA-Ebene stattfindet. Statt einfach die Genexpression zu regulieren, synthetisieren Organismen RNAs, die die Translation der mRNA in ein Protein kontrollieren. In einigen Organismen stellt Antisense-RNA eine Möglichkeit dar, die Translation zu regulieren. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten der Nutzung von Antisense-RNA, um die Synthese von Proteinen, die Krankheiten verursachen, zu inhibieren oder zu verzögern. Eine zweite Methode der RNA-regulierten Genexpression ist die RNA-Interferenz (RNAi). In diesem Fall erkennen kleine, nichtcodierende RNAs spezifische mRNAs und lösen deren Abbau aus.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

6. Immuntechnologie

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Wir sind ständig von infektiösen Bakterien, Viren und Protozoen umgeben, die alle nach einem geeigneten Wirt für eine Infektion suchen. Würde sich unser Körper nicht gegen diese Invasionsversuche zur Wehr setzen, dann würde er diese Angriffe nicht überleben. Glücklicherweise kontrollieren Zellen des Immunsystems unsere inneren Gewebe, das Blut und die Körperoberfläche sowohl im Inneren des Körpers als auch auf der Außenseite und schützen den Organismus auf diese Weise. Jedes fremde Makromolekül, das nicht als „selbst“, also vom eigenen Körper stammend, erkannt wird, wird als Zeichen eines Angriffs gewertet und löst eine Immunantwort aus. Eindringende Mikroorganismen besitzen eigene Proteine, die sich in der Sequenz und dreidimensionalen Struktur von denen des Wirts unterscheiden. Vor allem die Moleküle, die sich auf der Oberfläche des eindringenden Mikroorganismus befinden, ziehen die Aufmerksamkeit des Immunsystems auf sich.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

7. Nanobiotechnologie

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Richard Feynman prognostizierte im Jahr 1959 als erster Wissenschaftler die Zukunft der Nanotechnologie und äußerte die Vermutung, dass Maschinen und Materialien eines Tages auf atomarer Ebene konstruiert würden: „Die physikalischen Gesetze sprechen, soweit ich das beurteilen kann, nicht dagegen, Dinge Atom für Atom bewegen zu können.“

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

8. Genomik und Genexpression

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Die Sequenzierung des menschlichen Genoms war eine gewaltige Aufgabe und geht auf eine Initiative des Energieministeriums der Vereinigten Staaten (US Department of Energy) im Jahr 1986 zurück. Man hatte sich zum Ziel gesetzt, von jedem menschlichen Chromosom eine qualitativ hochwertige Referenz der Sequenzinformationen zu erhalten. Unterstützung erhielt die Initiative, als sich 1990 die National Institutes of Health (NIH) dem Projekt anschlossen. Im Laufe der 1990er-Jahre kamen viele weitere Mitarbeiter aus der ganzen Welt hinzu. Im Juni 2000 wurde schließlich der erste Entwurf des menschlichen Genoms vorgelegt. Danach wurde die Sequenz noch einmal überarbeitet, bis im April 2003 die endgültige, qualitativ hochwertige Sequenz veröffentlicht wurde. Im Rahmen des Humangenomprojekts wurden auch die vollständigen Genome von Modellorganismen wie Maus und Drosophila sequenziert. Außerdem hat man die Berechnungsmethoden für die Analyse von Sequenzdaten verfeinert, die Funktion von Genen bei verschiedenen Organismen miteinander verglichen und die Variabilität beim Menschen analysiert.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

9. Proteomik

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Mittlerweile liegt uns nicht nur die Sequenz des menschlichen Genoms vor, sondern auch die Genomsequenzen vieler Tiere, Pflanzen, Pilze und Bakterien. Durch all diese Daten haben die Wissenschaftler einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Gene des Menschen und anderer Lebewesen erhalten. Allerdings sind die Gene nur ein erster Schritt, um zu verstehen, wie ein Organismus funktioniert. Gene werden in mRNA transkribiert, und diese wird dann in Proteine translatiert. Um die Genfunktion wirklich zu verstehen, musste man auch das Genprodukt (Protein) charakterisieren — das war der Beginn der Proteomik. Unter Proteomik versteht man die umfassende Analyse der Proteine — des Proteoms, der Gesamtheit aller Proteine eines Organismus. Das Translatom, die Ausstattung an Proteinen unter bestimmten Bedingungen, fällt ebenfalls in dieses Forschungsgebiet. Hierbei ist zu beachten, dass das Translatom dynamisch ist und sich bei veränderten Umweltbedingungen ebenfalls ändert.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

10. Rekombinante Proteine

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Die Proteomik hat die Tür geöffnet, um immer mehr klinisch bedeutende Proteine zu identifizieren. Sind die Proteine erst einmal identifiziert, so muss man sie im Detail erforschen. Dazu gehört beispielsweise auch die Expression des Proteins in Modellorganismen mithilfe rekombinanter DNA-Technologien (s. Kap. 3). Sofern einige der Proteine zu therapeutischen Zwecken genutzt werden, benötigt man große Mengen gereinigtes Protein.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

11. Protein-Engineering

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Schon vor Einzug der Gentechnik wurden zahlreiche Enzyme industriell genutzt. Allerdings machen lediglich wenige Dutzend Enzyme über 90 % der industriellen Enzymnutzung aus. Einige der bekanntesten Beispiele sind in Tabelle 11.1 aufgelistet. Der Einsatz dieser Proteine erfolgt unter relativ rauen, oxidierenden Bedingungen, wie sie in lebenden Zellen nicht herrschen. Infolgedessen sind gerade diese Proteine außergewöhnlich robust und stabil und in dieser Hinsicht keineswegs repräsentativ für typische Enzyme. Auffallenderweise handelt es sich bei den meisten davon um Hydrolasen, die entweder Kohlenhydratpolymere oder Proteine abbauen.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

12. Umweltbiotechnologie

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Unsere Umwelt diente stets als Quelle neuer Produkte und als Inspiration zur Entwicklung neuer Technologien. Die menschliche Spezies weiß die Umwelt sehr erfolgreich für sich zu nutzen. Ebenso gut ist sie aber auch darin, die Umwelt für kurzfristige Profite zu zerstören oder zu schädigen. Unsere sichtbare Umwelt ist katalogisiert und kartiert, Gebiete in der Tiefsee oder im unzugänglichsten Dschungel sind jedoch nach wie vor weitgehend unbekannt. Selbst viele Teile der sichtbaren Umwelt beherbergen noch unbekannte Lebensformen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, wie Bakterien und Viren. Diese leben in der Luft, im Wasser und an Land. Viele von ihnen zeichnen sich durch einen einzigartigen Stoffwechsel aus und manche durch zuvor nicht gekannte Fähigkeiten. Zahlreiche Organismen können in extremen Umgebungen leben, die man einst als zu heiß oder zu trocken für die Existenz von Leben erachtete.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

13. Stoffwechsel-Engineering

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Aus genetischer Sicht kann die Produktion eines kleinen Moleküls wie Ethanol durchaus komplizierter sein als die Produktion eines Proteins wie Somatotropin. Proteine sind zwar komplexe Makromoleküle, werden aber durch einzelne Gene codiert, während kleine Moleküle über biochemische Synthesewege hergestellt werden müssen; diese erfordern mehrere Schritte, die jeweils von einem eigenen Enzym katalysiert werden. Somit sind daran mehrere Gene beteiligt, inklusive ihrer Regulationssysteme. Beim StoffwechselEngineering (engl. pathway engineering, auch metabolic engineering genannt) geht es darum, mithilfe der Gene eines oder mehrerer Organismen neue oder verbesserte biochemische Synthesewege zusammenzustellen. Bislang zielten die meisten Bemühungen weniger darauf ab, völlig neue Reaktionswege zu kreieren; vielmehr versuchte man, existierende Wege zu modifizieren oder zu verbessern. Zweifellos werden im Laufe der nächsten Jahre aber auch völlig neue Synthesewege auftauchen.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

14. Transgene Pflanzen und Pflanzenbiotechnologie

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Schon seit Tausenden von Jahren versucht der Mensch, Nutzpflanzen und Nutztiere durch selektive Züchtung zu verbessern. Dies erfolgt überwiegend nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum. Im Laufe der Zeit haben die Tier- und Pflanzenzüchter gelernt, dass die Verbesserung ihrer Nutztiere und -pflanzen eine biologische Grundlage hat. Schließlich experimentierte schon der Begründer der Genetik, Gregor Mendel, mit Erbsen. Er erforschte eindeutig beobachtbare Merkmale wie glatte oder runzelige Samen oder die Samenfarben Gelb und Grün. Dazu übertrug Mendel den Pollen einer Pflanze auf die Narbe einer anderen Pflanze (Abb. 14.1), führte also eine Fremdbestäubung durch. Mit seinen Experimenten zeigte er, dass einige Merkmale von Pflanzen über andere dominieren. So entstanden bei der Kreuzung von Erbsenpflanzen mit gelben Samen und solchen mit grünen Samen ausschließlich Pflanzen, die gelbe Samen hervorbrachten. Veröffentlicht hat Mendel diese Ergebnisse im Jahr 1865, aber erst lange nach seinem Tod wurde ihre Tragweite schließlich erkannt.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

15. Transgene Tiere

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Der Mensch versucht schon seit Jahrtausenden, Nutzpflanzen und Nutztiere durch selektive Züchtung, überwiegend nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum, zu verbessern. Durch selektive Züchtung über viele Generationen hinweg wurden Schafe mit dichterer Wolle und schlauere Schäferhunde gezüchtet. Je mehr Erkenntnisse sich auf dem Gebiet der Genetik ansammeln, desto schneller und effektiver lassen sich verbesserte Nutzpflanzen und -tiere züchten.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

16. Genetische Störungen

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Genetische Defekte können sich sehr unterschiedlich auswirken: von belanglos bis hin zu lebensbedrohlich. Genetische Störungen wie Diabetes oder Muskeldystrophie werden in der Regel als Krankheiten erachtet, andere hingegen, wie Gaumenspalten und Farbenblindheit als Erbdefekte. Bei allen handelt es sich jedoch um das Ergebnis von Mutationen des genetischen Materials, der DNA. Manche Krankheiten werden direkt durch Mutationen hervorgerufen, aber auch die Anfälligkeit für Infektionskrankheiten und andere schädliche Umwelteinflüsse wie Strahlung wird durch die Gene beeinflusst.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

17. Gentherapie

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Durch gentechnische Eingriffe wird ein Organismus dauerhaft verändert, sodass er diese Veränderungen stabil weitervererbt. Bei vielzelligen Organismen setzt dies die bewusste Modifikation der DNA in den Zellen der Keimbahn voraus. Eine Gentherapie ist weniger dauerhaft: Es werden lediglich in einem Teil des Körpers eines Patienten Veränderungen an den Genen vorgenommen. So kann man beispielsweise bei Patienten mit cystischer Fibröse eine partielle Heilung erzielen, indem man das Wildtypgen in die Lunge einführt. Diese Modifikationen werden jedoch nicht weitervererbt — die Allele in den Keimbahnzellen bleiben defekt.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

18. Molekularbiologie von Krebs

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Genau wie Erbkrankheiten hat auch Krebs eine genetische Grundlage. Unter Erbkrankheiten versteht man genetische Störungen, die über die Keimzellen an andere Individuen weitergegeben werden. Damit bei vielzelligen Organismen auftretende Mutationen an die Nachkommen weitervererbt werden, müssen sie in den Zellen der Keimbahn auftreten, aus denen Eizellen und Spermienzellen hervorgehen. Im Gegensatz dazu sind Krebserkrankungen auf einen einzigen vielzelligen Organismus beschränkt und werden nicht an die nächste Generation weitergegeben. Bei einer Mutation in einer somatischen Zelle — also in einer der Zellen, aus denen der übrige Körper aufgebaut ist — ergeben sich verschiedene Möglichkeiten (Abb. 18.1). Besonders nachteilig können sich Mutationen auswirken, die in einem frühen Stadium der Embryonalentwicklung auftreten, da aus jeder Zelle des Embryos während der Entwicklung zahlreiche weitere Zellen hervorgehen. Findet eine gravierende Mutation in einer der einzelnen Vorläuferzellen eines wichtigen Organs oder Gewebes statt, kann dies schwerwiegende oder sogar tödliche Folgen haben.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

19. Nichtinfektiöse Krankheiten

Zusammenfassung

Viele der komplexeren Krankheiten höherer Organismen sind auf Anomalien bei der Signalübertragung und Regulation zurückzuführen. Zu diesen Anomalien kann es aufgrund von erblichen Defekten kommen oder auch aufgrund von Verletzungen und Durchblutungsstörungen im Laufe des Wachstums und der Entwicklung. Komplexe Angelegenheiten wie Übergewicht, Diabetes und Verhaltensstörungen resultieren häufig aus einem Zusammenspiel von genetischer Prädisposition und Umwelteinflüssen. Zunächst sollen hier die Grundlagen der Kommunikation zwischen den Zellen höherer vielzelliger Organismen betrachtet werden.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

20. Altern und Apoptose

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Der Prozess des Alterns beginnt bereits bei der Geburt und hält bis zum Tod an. Manche Menschen scheinen sehr würdevoll zu altern, während bei anderen bereits sehr früh Anzeichen des Alterns erkennbar werden. Selbst wenn man tödliche Infektionskrankheiten und Unfälle unberücksichtigt lässt, ergeben sich bei der Lebensspanne von Menschen recht deutliche Unterschiede. Interessanterweise zeigen sich erhebliche Abweichungen der durchschnittlichen Lebensspanne bei Säugetierarten ähnlicher Größe. So werden Mäuse beispielsweise rund zwei bis drei Jahre alt, andere Nagetiere ähnlicher Größe erreichen hingegen im Schnitt ein Alter von fünf bis zehn Jahren. Alter ist also ein relativer Begriff mit Abweichungen innerhalb und zwischen Arten. Bis vor nicht allzu langer Zeit kannte man keine eindeutige molekulare Ursache für das Altern; es trat einfach als eine langsam zunehmende Abnutzung unserer Zellen, Gewebe, Organe und schließlich unseres gesamten Körpers zutage.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

21. Bakterielle Infektionen

Zusammenfassung

Infektionen des Menschen sowie von Tieren und Pflanzen werden durch unterschiedlichste Mikroorganismen wie Viren, Bakterien oder einzellige Eukaryoten verursacht. Auch bei den Infektionsmechanismen gibt es eine beträchtliche Bandbreite: vom einfachen Vorgehen bestimmter filamentöser Pilze, die lediglich organisches Material überwachsen, bis hin zu äußerst komplizierten Systemen, mit deren Hilfe spezialisierte Pathogone wie etwa die Erreger von Beulenpest oder Malaria in ihre Wirte eindringen und überleben. Im Folgenden geht es nun darum, wie man durch Anwendung der modernen Molekularbiologie ein besseres Verständnis der Infektionen erlangen und diese bekämpfen kann.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

22. Virus- und Prion-Infektionen

Zusammenfassung

Viele Krankheiten des Menschen werden durch Viren hervorgerufen. Über virale Infektionen ist bisher allerdings weniger bekannt als über bakterielle Krankheiten. Das liegt größtenteils daran, dass man Vieren nicht alleine in Kultur züchten kann, weil sie von einer Wirtszelle abhängig sind. Bis vor nicht allzu langer Zeit standen im Kampf gegen Viren nur allgemeine Gesundheitsmaßnahmen und Impfungen zur Verfügung. Erst in letzter Zeit wurden in nennenswerter Anzahl spezielle Mittel gegen Viren entwickelt.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

23. Biologische Kriegsführung und Bioterrorismus

Zusammenfassung

Biologische Kriegsführung umfasst mehrere Dinge: die Auswahl eines Erregers oder Kampfstoffs, dessen potenzielle gentechnische Veränderung, aber auch dessen Herstellung, Speicherung, Umwandlung in eine Biowaffe und Verbreitung. Dieses Kapitel befasst sich mit der Molekularbiologie der biologischen Kriegsführung, während die physikalischen und militärischen Aspekte unberücksichtigt bleiben.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

24. Forensische Molekularbiologie

Zusammenfassung

Für die DNA-Technologie gibt es zahlreiche praktische Anwendungsmöglichkeiten. Da jedes Individuum eine einzigartige DNA-Sequenz aufweist, kann man DNA-Proben zur individuellen Identifizierung nutzen. Mittlerweile werden DNA-Beweise auch vor Gericht zur Feststellung von Schuld oder Unschuld verwendet. Erstmals angewendet wurde die DNA-Technologie Mitte der 1980er-Jahre in Großbritannien, kurz darauf dann auch in den Vereinigten Staaten. Inzwischen haben zahlreiche Länder bereits DNA-Datenbanken (in Deutschland die DNA-Analysedatei, DAD) bekannter Krimineller erstellt, insbesondere von solchen, die schwere Straftaten begangen haben. Am häufigsten werden DNA-Nachweise jedoch nach wie vor zur Aufklärung umstrittener Vaterschaften eingesetzt.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

25. Bioethik in der Biotechnologie

Zusammenfassung

In diesem Buch geht es um eine Einführung in die Wissenschaft der Molekularbiologie und deren Anwendungen in der Biotechnologie. Im letzten Kapitel soll nun nicht die Bioethik an sich erklärt werden; es ist vielmehr ein Versuch, kurz und bündig die ethischen Fragen zusammenzufassen, die sich aufgrund der Fortschritte in der Biotechnologie ergeben. In jedem Kapitel des Buches wurde auf Probleme und Möglichkeiten hingewiesen. Es wurden eine Menge Fragen gestellt, aber nur wenige definitive Antworten gegeben, weil moralische Entscheidungen unserer Ansicht nach der Leser treffen sollte, nicht die Autoren. Andererseits haben wir auch nicht versucht, unsere eigenen Meinungen, die in vielen Fällen ziemlich offenkundig sind, künstlich zu verbergen. Viele ethische Fragen wurden bereits entschieden, ob durch die allgemeine Akzeptanz der Öffentlichkeit oder durch eine entsprechende Gesetzgebung. Allerdings können Gesetze auch wieder aufgehoben werden, und was als moralisch akzeptabel gilt, unterliegt einem ständigen Wandel.

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik

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