Genetische Rekombination bei Bakterien

Genetische Rekombination bei Bakterien
Bakterien(Prokaryonten)-DNA ist im Gegensatz zu Eukaryonten-DNA nicht in
Erbgut von Bakterien
Chromosomen organisiert. Daher findet eine Mitose oder Meiose im Sinne einer
Eukaryontenzelle nicht statt.
Bakterien-DNA befindet sich zunächst einmal auf einem großen geschlossenen
Bakterienchromosom
Plasmid
und zumeist merhfach gefalteten DNA-Ring, dem sogenannten
Bakterienchromosom, das nur aus DNA besteht. Dort sind die wesentlichen Gene
Bakterienkonjugation (Parasexualität)
für die Enzymausstattung des Bakteriums lokalisiert.
Die Meiose der Eukaryonten-Zelle hat letztlich zum Ziel, Lebewesen mit immer
neuen Kombinationen hervorzurufen. Dabei besteht die Möglichkeit, dass
Kombinationen entstehen, die sich in der Umwelt besser durchsetzen können.
PlasmaDas ist die biologische Motivation für Sex: die Erzeugung von immer neuen
brücke
Kombinationen von Erbinformation.Wenn sonst keine Orte für genetische
Informationen vorhanden wären, würden die Nachkommen eines Bakteriums
immer dem Vorgänger gleichen. Bakterien hätten kaum eine Chance, sich zu
Integration eines Plasmids
verändern. Nun gibt es neben diesem Bakterienchromosom noch weitere kleinere
DNA-Ringe, die sogenannten Plasmiden.
Diese Plasmide können ganz unterschiedliche Eigenschaften haben:
• Konjugierende Plasmide führen bei Bakterien dazu, dass ein Austausch
von Plasmiden angeregt wird. Dabei werden Plasmiden von einem
Bakterium zum anderen übertragen. Dadurch werden dann einige
Eigenschaften des einen Bakteriums an ein anderes Bakterium
weitergegeben. Diesen Vorgang zählt man zur Parasexualität. Plasmide, die
Konjugationen anregen können, enthalten sogenannte tra-Gene.
• Dann gibt es Plasmiden, die sich in das Bakterienchromosom integrieren
können. Andere Plasmiden bleiben als Episom immer eigenständig
innerhalb des Bakteriums.
• Neben ringförmigen Plasmiden gibt es auch lineare Anordnungen.
• Auch die Funktion kann stark variieren:
- einige Bakterien tragen Informationen zur Abwehr von Antibiotika,
sogenannte Resistenzgene
- Virulenzplasmide, die ein Bakterium zum Krankheitserreger machen
- Fruchtbarkeitsplasmide, die sogenannte tra-Gene enthalten die Bakterienkonjugation einleiten
Bedeutung für unseren Alltag
Ein großer Teil der Anstrengung der Pharmaindustrie dient der Entwicklung von Antibiotika, die in der Lage sind, Bakterien
abzutöten. Man hat dabei einige hundert Wirkstoffe gefunden, die spezifisch auf Bakterien wirken. Allerdings rüsten die
Bakterien ebenfalls nach und entwickeln Resistenzen, indem sie Stoffe produzieren, die die Antibiotika unwirksam sein lassen.
Die Plasmide, die diese Resistenzgene tragen, können an andere Bakterien – sogar an andere Bakterienstämme - weitergegeben
werden. Auch dort wo die Bakterien einem starken Antibiotikadruck ausgesetzt sind und Resistenzen entwickeln, können die
Bakterien die Resistenzplasmide untereinander austauschen. Es entwickeln sich in Krankenhäusern oder anderen Orten
Bakterien, die Multiresistenzen aufweisen und kaum mehr mit Antibiotika zu bekämpfen sind. Daher ist es wichtig, Antibiotika
nur dort einzusetzen, wo sie wirklich notwendig sind und auch so lange einzusetzen, dass Bakterien restlos abgetötet werden. Wo
Bakterien durch Hygienemaßnahmen bekämpft werden können, sollte dies immer dem profilaktischen Antibiotikaeinsatz
vorzuziehen sein.
Plasmide werden außerdem als Werkzeuge der Gentechniker eingesetzt. Dort werden sie als Vektoren bezeichnet und dazu
benutzt, um Gene zu vervielfältigen oder zu exprimieren (in Proteine zu übersetzen, Genexpression = Übertragung der
Information in ein Protein). Viele der für diese Zwecke eingesetzten Plasmide sind kommerziell erhältlich. Das zu
vervielfältigende Gen wird dabei in Plasmide eingefügt, die über ein Gen mit einer Antibiotika-Resistenz verfügen. Dann werden
diese Plasmide in Bakterien eingebracht, die auf einem mit dem entsprechenden Antibiotikum behandelten Nährmedium
wachsen. Es werden also nur die Bakterien überleben, die das Plasmid mit der Information für die Resistenz und damit auch das
gewünschte Gen enthalten. Bakterien, die das Plasmid nicht aufgenommen haben, sterben durch das Antibiotikum ab. So wirkt
das Antibiotikum als Selektionsmarker, der nur die Bakterien mit dem gewünschten Gen überleben lässt. Dies ist eine einfache
und preiswerte Methode, um Gene oder deren Proteine in großen Mengen herzustellen - beispielsweise Insulin oder sogar
Antibiotika.
Eukaryontische Zellen können grundsätzlich auch von Plasmiden verändert werden. Soll ein DNA-Abschnitt auf einen
Organismus (Bakterium, Pflanze, Tier, Mensch etc.) übertragen werden, können ebenfalls Plasmide als Überträger verwendet
werden. Bei Tier und Mensch ist dieses Verfahren besonders bei Muskelzellen sehr erfolgreich, da derartige Zellen - im
Gegensatz zu beispielsweise Nervenzellen - reine Plasmid-DNA aus der Umgebung aufnehmen.
Aufgaben:
1.) Erkläre die Begriffe: Eukaryonten, Prokaryonten, Plasmid, Episom, Genexpression, Konjugation, Parasexualität
2.) Vergleiche die Organisation der Erbinformation von eukaryontischen mit prokaryontischen Zellen hinsichtlich des Aufbaus
und den Rekombinationsmöglichkeiten.
3.) Erkläre die schnelle Anpassungsmöglichkeit von Prokaryontenzellen an neue Lebensverhältnisse.
4.) Man hat zwei Bakterienstämme: einen, der die Fähigkeit verloren hat, die AS Tryptophan zu synthetisieren, einer, der die
AS Phenylalanin nicht herstellen kann. Plane eine Experiment gestalten, dass Parasexualität zwischen diesen beiden
Stämmen nachweist.