Gentransfer zwischen Bakterien in der Natur Was ist eigentlich Gentransfer zwischen Mikroorganismen? 1. Transduktion 2. Konjugation 3. Transformation

1. Transduktion Die Transduktion beschreibt einen virusvermittelten Genaustausch zwischen Bakterien. Zur Infektion heftet sich ein Virus (Bakteriophage genannt) mit seinen krallenähnlichen Strukturen an eine Bakterienzelle und injiziert ihr seine DNA.

Elektronenmikroskopische Aufnahme Andocken des Bakteriophagen an das spezifische Bakterium. Das übertragene Erbgut trägt die Anweisungen zum Bau neuer Phagen. Neue Viruspartikel können DNA-Abschnitte des Bakterienchromosoms tragen. Austritt aus dem infizierten Bakterium und Befall weiterer Zellen.

Historisches Experiment von Hershey und Chase (1952 in New York) Sie konnten mit Hilfe radioaktiv markierter Bakteriophagen zeigen, daß bei diesen Viren, die Bakterien infizieren, die DNA und nicht ein Protein das genetische Material ist. Die Proteinhülle blieb dabei außen zurück und schied damit als potentielles genetisches Material aus.

Nachweis: DNA ist das genetisches Material

Nachweis 32P-ATP Purin oder Pyrimidin Base 32Phosphat

Thymin Adenin Cytosin Guanin (Purine) (Pyrimidine)

Nachweis 35S-Cystein Beispiel: Rinderinsulin

Transduktion in der Natur

Zusammenfassung Transduktion Viren können gelegentlich irrtümlich Stücke der Bakterien (Wirts)-DNA und damit bakterielle Gene übertragen. Diese Gene können beim nächsten Infektionszyklus in eine andere Bakterienzelle übertragen, transduziert werden. Die so eingeschleppte DNA kann in das Bakterien-chromosom überwechseln. Viren können entweder plasmidische oder chromo-somale DNA auf Bakterien übertragen.

2. Konjugation Die Konjugation beschreibt einen paarungsähnlichen (quasi sexuellen) Vorgang zwischen Bakterien. Es handelt sich hierbei um einen gerichteten Transfer von genetischen Material zwischen verschiedenen Bakterienzellen (außerhalb des Labors).

Historisches Experiment von J. Lederberg und E Historisches Experiment von J. Lederberg und E. Tatum (1948 in New York) Zwei Stämme des Darmbakteriums Escherichia coli vermischten bei gemeinsamer Kultur bestimmte ihrer Eigenschaften. Es handelte sich dabei um die Übertragung von kleinen ringförmigen, extrachromosomalen DNA-Stücken (sogenannte Plasmide).

Nobelpreis für Medizin 1958: Joshua Lederberg & Edward Tatum

Erklärung: Was ist ein Plasmid? Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle oder auch Minichromosomen, die in der Bakterienzelle ein eigenständiges Dasein führen. Fast immer enthalten sie ein oder zwei Gene, die eine nützliche Eigenschaft der betreffenden Bakterienzelle verantwortlich sind. Beispiele sind Antibiotikaresistenzen.

Das Watson-Crick Modell der DNA-Struktur

Nobelpreis für Medizin 1962: James Watson & Francis Crick

Das Plasmid: Ein ringförmiges DNA-Molekül Gelelektrophorese

Einleitung der Konjugation Gramnegative Bakterien lassen sich nach Anfärbung mit Alkohohl wieder entfärben. Eine Spenderzelle bildet mindestens ein langes, dünnes Anhängsel aus; dieser Pilus verankert sich an einer Empfängerzelle, verkürzt sich und zieht die beiden Zellen aufeinander zu.

Elektronenmikroskopische Aufnahme

Konjugation - Mechanismus (I)

Konjugation - Mechanismus (II)

Einleitung der Konjugation bei grampositiven Bakterien Grampositive Bakterien nehmen Kontakt ohne Pili auf. Eine aufnahmebereite Zelle gibt Substanzen ab, die potentielle Spenderzellen anregen bestimmte Proteine zu erzeugen. Diese Moleküle (Duftstoffe) führen die Zellen zusammen. Es bilden sich die dann für den DNA-Transfer nötigen Verbindungsporen aus.

Der Unterschied zwischen Plasmid und Episom

Zusammenfassung Konjugation Bakterien können gegenseitig Plasmide aus-tauschen. Dies geschieht über einen paarungs-ähnlichen Vorgang. Grampositive und gramnegative Bakterien haben verschieden Strategien entwickelt. Beim Austausch wird zunächst eine Kopie der Plasmid-DNA angefertigt, die dann über Pili oder Verbindungsporen in die Empfängerzelle übertragen wird.

3. Transformation Eine Bakterienzelle wird umgewandelt oder transformiert. Sie nimmt dazu ein Gen als freie DNA aus der Umgebung auf und baut es entweder in das Plasmid oder in das Chromosom ein. Voraussetzung ist, daß potentielle Empfänger-zellen überhaupt aufnahmebereit oder auch kompetent sind.

Aufnahme eines Gens

Anwendung der Transformation im Labor: Die Klonierung

Anwendung der Transformation im Labor: Das Klonieren von DNA unter Verwendung der PCR- Methode und die Folge von Fehlern der Polymerase

Horizontaler Gentransfer