Bakterien Genetik der Bakterien

Bakterien
Genetik der Bakterien
Bakterien sind asexuelle haploide Organisma, und es war fraglich, ob der Austausch der genetischen
Information kommt überhaupt bei Bakterien vor. J. Lederberg und E.L. Tatum führte die erste
„Kreuzung” der Bakterien durch, welche zur Bildung Rekombinanten führte. Sie nahmen die
auxotrophen Stämme „A” und „B” von Escherichia coli, die gemeinsam in Flüssigkultur gewachsen
wurden. Auxotrophe Bakterien tragen Genmutationen, die ihr Wachstum verhindern, und wachsen
nur in dem Fall, wenn die Stoffe, die die Bakterien selbst produzieren können, ins Kulturmedium
(Minimalmedium) zugegeben werden. Das Minimalmedium besteht aus Wasser, Kohlenstoff- und
Stickstoffquellen (Glycerin, Ammonia) und anorganische Sälze. Die prototrophen (oder wildtyp)
Bakterien wachsen auf das Minimalmedium, wie die Rekombinanten aus „A”x”B” „Kreuzung”
Das Auftreten der prototrophen Bakterien kann nur durch eine Veränderung ihrer genetischen
Information erklärt werden, die als Konjugation genannt wurde. Die Richtung der Konjugation wurde
durch Streptomycin-resistent Stämme bestimmt.
Die Donorzelle (F+) DNA abgibt, die Emphängerzelle die DNA Aufnimmt. Die F+-Zellen von E. coli
besitzen zwei genetische Elemente, das Chromosom und das F (Fertilitäts)-Plasmid/Faktor. Ein
direkter Kontakt mit der F- Zelle über der Konjugationsbrücke, oder Sex-Pili (Protein-Rohre, kodiert
das F+Plasmid) ist für den Gentransfer unbedingt benötigt. Die F+ Donorzelle überträgt den
Fertilitätsfaktor (F-Plasmid) in die F- Emphängerzelle als Einzelsträngige DNA, und der Emphänger
synthetisiert den zweiten Strang. Während der Konjugation wandelt sich die F- Stamm in F+. Der
Transfer beginnt immer an der oriT (transfer) Stelle des F-Plasmids.
Dieser Mechanismus erklärt es nicht, wie Gene des Chromosoms konjugiert/mobilisiert werden
können. Das F-Plasmid kann ins Chromosom integrieren, damit eine sog. Hfr-Zelle (high frequency of
recombination), mit einer 10-3 Wahrscheinlichkeit entsteht. Während der Paarung/Konjugation
überträgt die Hfr-Zelle ihre einzelsträngige DNA in die F- -Zelle so, dass die chromosomale DNA auch
mobilisiert wird. Die Übertragung beginnt, genau wie bei der F+-Zelle, bei der oriT-Sequenz des
integrierten F-Faktors. Die Übertragung des ganzen Chromosoms dauert ~100 Minuten, aber wird
spontan unterbrochen als die Konjugationsbrücke brechen. Nun die Emphängerzelle enthält ihr
vollkommenes, ringförmiges Chromosom, und zusätzlich einen mehr oder weniger lange lineare
DNA-Abschnitt aus der Donorzelle. Weshalb, ist die Zelle Merozygot, nur teilweise Diploid (Abb. 8).
Die übertragene DNA kann jetzt mit der DNA der Emphängerzelle rekombinieren. Ein einzellcrossover
zwischen der linearen und ringförmigen DNA ergibt ein lineares Chromosom, welches nicht
lebensfähig ist. Nur eine Doppelrekombination sorgt für eine lebensfähige Zelle, und einer der
Rekombinationspartner, das Ringförmige Chromosom überlebt und trägt teilweise die Gene der
Donorzelle.
Da die Konjugation ein in der Zeit abgelaufener Vorgang ist, und die Konjugation bei einer
bestimmten Hfr-Zelle immer bei der oriT-Stelle iniziiert wird, werden die Gene der Donorzelle immer
in der selben Reihenfolge übertragen. Je weiter ein Gen von oriT entfernt
liegt, desto später gelangt es in die F- Zelle. Während der unterbrochenen Kartierung messen wir die
Zeit, benötigt für die Übertragung eines Gens, als die Einheit der genetischen Karte. Mithilfe
Streptomycin-resistent Emphängerzellen und sensitiv Donorzellen töten wir sie in der Anwesenheit
des Antibiotikums, nur die resistenten und rekombinanten Emphängerzellen überleben. Die
Unterbrochene Konjugation erlaubt nicht die Kartierung eng gekoppelter Gene.
Rekombinationskartierung aber ermöglicht es, eine detaillierte Karte zu erzeugen.
Grundanforderung
12. Vorlesung
1
Bakterien
Extraanforderung:
Was ist "Quorum sensing" und wie sprechen Bakterien miteinander?
Bakterien haben die Fähigkeit, die ungefähre Anzahl anderer Einzeller in ihrer Umgebung zu ermitteln
(“Quorum Sensing”). Bakterien können so in Abhängigkeit von ihrer Anzahl ihr Verhalten vollkommen ändern.
Ein Biofilm erreicht nur dann eine ausreichende Wirkung, wenn genug Bakterien ihn produzieren. Der Biofilm
eines einzelnen oder weniger Bakterien ist zu schwach, bringt also nicht viel. Erst wenn eine gewisse
Mindestanzahl (Quorum)an Bakterien zusammenkommt lohnt sich also überhaupt die Produktion eines
Biofilms. Das “Quorum Sensing“ setzt aber voraus, dass die Bakterien in der Lage sind, irgendwie einander ihre
Anwesenheit mitzuteilen. Das tun sie mit Hilfe von Signalproteinen, den Autoinducern, welche sie an ihre
Umgebung abgeben. Überschreitet die Konzentration der Autoinducer eine bestimmte Schwelle, das Quorum,
so wird ein Biofilm erzeugt. Die Autoinducer können die Zellmembranen der Bakterien leicht passieren, um
dann an Rezeptoren anzudocken, welche daraufhin die Gene für die Biofilmproduktion einschalten. Wird eine
bestimmte Anzahl von Rezeptoren pro Bakterium besetzt, so werden die entsprechenden Gene eingeschaltet.
Die von dem amerikanischen Wissenschaftlerteam gefundenen Wirkstoffe blockieren das bakterielle Enzym
MTAN, das an der Synthese der Autoinducer entscheidend beteiligt ist. Bei den bisher untersuchten Choleraund Kolibakterien ging nach der Blockade die Biofilmbildung deutlich zurück,ohne dass die Bakterien selbst zu
Schaden kamen.
---siehe noch Bakterien im Buch Purves!
Grundbegriffe
prototrophe
auxotrophe
Resistenzmarker
Selektivitätsmarker
andere Markers
F-Stämme
Hfr-Stämme
F-Faktor
F-Plasmid
R-Faktor
R-Plasmid
Kartierung mit Bakterien
Zeitkarte des Genoms
Konjugation
Transformation
Grundanforderung
12. Vorlesung
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