Die Gentechnik beschreibt neue und künstliche Methoden, die gezielt die DNA eines Lebewesens verändern können. Solche Lebewesen sind z.B. Pflanzen, Pilze, Tiere oder Mikroorganismen. Ziel der Gentechnik ist, die Lebewesen neue Eigenschaften zu geben, um diese zu vervielfältigen.
Gentechnik
Es gibt viele Arten der Gentechnik: Es gibt die rote Gentechnik, die sich mit Medizin, Gentherapie und Pharmazie beschäftigt. Die grüne Gentechnik befasst sich mit der Züchtung von Pflanzen. Die weiße Gentechnik befasst sich mit der Industrie. Da werden Mikroorganismen zu Produktion von Chemikalien oder Enzymen benutzt. Die graue Gentechnik umfasst die Umwelt und die nötigen Methoden, z.B. zur Abfallbeseitigung. Die blaue Gentechnik basiert auf die Forschung der marinen Mikroorganismen.
Mehr zur Gentechnik findest du im StudySmarter-Artikel zur Gentechnik.
DNA Bakterien in der Gentechnik
Bakterien sind einzellige Organismen - auch Prokaryoten - und besitzen keinen Zellkern. Ihre Chromosomen-DNA liegt frei im Zytoplasma vor.
Plasmide, die man auch als ringförmige und doppelsträngige DNA kennt, liegen ebenfalls frei im Zytoplasma vor. Diese bestehen im Gegensatz zur Chromosomen-DNA nicht aus Chromosomen.
Plasmide werden mithilfe von Pili von einem Bakterium zu einem anderen übertragen. Ribosomen, die auch in Bakterienzellen vorliegen, dienen der Proteinbiosynthese.
Die Zellplasma ist von einer Zellmembran umhüllt. Die Zellmembran ermöglicht den Stoffaustausch zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle. Der Elektronentransport wird durch sogenannte Mesosomen geregelt.
Mesosomen sind Membraneinstülpungen. Der Raum, der entstanden ist, wird von Bakterien für Stoffwechselvorgänge genutzt.
Die Zellwand, die außerhalb der Zellmembran liegt, gibt dem Bakterium seine Form. Die Zellwand schützt vor einem Konzentrationsaustausch mit der Umgebung. Um die Zellwand gibt es eine Schleimschicht, die das Bakterium vor dem Austrocknen schützen soll.
Bakterien besitzen Zellfortsätze, sogenannte Pili, die verschiedene Funktionen haben. Mit den Pili können sich Bakterien an z.B. Nahrung, Feststoffen oder andere Bakterien anheften. Das Flagellum, auch Geißel genannt, dient zur Fortbewegung.
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Bakteriums
Restriktionsenzyme in der Gentechnik
Damit gentechnische Verfahren angewandt werden können, sind bestimmte Strukturen notwendig. Dazu gehören die Restriktionsenzyme.
Wie der Name verrät, sind Restriktionsenzyme Enzyme. Sie brauchen Energie in Form von ATP, um zu funktionieren. Ihre Aufgabe liegt darin, spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen und diese zu schneiden.
In der Gentechnik sind sie von großer Bedeutung, weil sie sehr spezifisch arbeiten. Sie können die DNA zwischen zwei Basenpaaren schneiden. Die Stelle, an der die Enzyme schneiden sollen, wird anhand der spezifischen Basensequenz erkannt.
Bakterien nutzen auch allgemein Restriktionsenzyme, um sich vor Viren zu schützen. Die Viren-DNA wird von den Restriktionsenzymen zerstört, bevor die DNA in die DNA des Bakteriums eingebaut werden kann.
Restriktionsenzyme dienen als eine Art Abwehrsystem vor fremder DNA.
Es gibt vier Arten der Restriktionsenzyme:
Das Typ 1 Enzym ist ein komplexes Enzym. Das bedeutet, dass es aus mehreren Untereinheiten besteht. Typ 1 Enzyme sind kombinierte Enzyme, die Restriktionen und Modifikationen durchführen können. Durch die Restriktion wird die DNA in kleine Abschnitte verkleinert. Durch die Modifikation wird eine Methylgruppe von S-Adenosylmethionin übertragen. Dieser Enzym-Typ schneidet die DNA etwas von der Erkennungssequenz entfernt.
S-Adenosylmethionin ist ein aktiviertes Methionin, also eine aktivierte schwefelhaltige Aminosäure.
Das Typ 2 Enzym schneidet die DNA im Gegensatz zu Typ 1 entweder in der Nähe der oder direkt in der Erkennungssequenz. Durch die Enzyme werden definierte Restriktionsfragmente produziert. Hier brauchen die Enzyme keine Zufuhr von Energie. Das Typ 2 Enzym wird am häufigsten in den Laboren eingesetzt, z.B. bei der Klonierung von der DNA.
Restriktionsfragmente sind DNA-Fragmente, die während der DNA-Spaltung mithilfe der Restriktionsenzymen entstehen.
Das Typ 3 Enzym kann auch Restriktionen und Modifikationen durchführen. Wie Typ 1, schneiden Typ 3 Enzyme die DNA, etwas von der Erkennungssequenz entfernt, in etwa 20-25 Basenpaare weiter. Die Voraussetzung für das Enzym ist, dass die DNA-Sequenz, die geschnitten werden soll, zweimal vorkommt und in entgegengesetzte Richtungen zeigt.
Das Typ 4 Enzym kann nur die modifizierte (methylierte) DNA schneiden. Diese Enzyme findet man hauptsächlich im Bakterium E. coli.
Gentechnische Veränderung von Bakterien
Eine Technik, die angewandt wird, um Bakterien genetisch zu verändern, ist das Einfügen eines genetisch veränderten Plasmids in ein Bakterium.
Das Plasmid ist die ringförmige DNA eines Bakteriums. Sie enthält ein DNA-Stück mit einem "gewünschten Gen". Dieses Gen wird gentechnisch in das Plasmid eingesetzt und liegt vorher im Plasmid vor. Das modifizierte Plasmid wird in Bakterien eingefügt. Diese soll dann von Bakterien verwendet werden, um ein neues Gen herzustellen.
Das Plasmid besitzt spezifische Stellen:
- ori: Origin of Replication (Ursprung der Replikation). Diese Stelle am Plasmid ist wichtig für die Vervielfältigung des Plasmids.
- Polylinker: Restriktionsschnittstelle; das Plasmid wird an dieser Stelle von bestimmten Enzymen aufgeschnitten.
- lacZ: Selektionsmarker; der Marker ist wichtig dafür, das eingebaute Gen zu überprüfen.
- amp: Selektionsmarker: der Marker ist wichtig, um zu überprüfen, ob ein Bakterium das Plasmid aufgenommen hat.
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Plasmids mit spezifischen Stellen
Einsetzen eines DNA-Stückes in einen Plasmid-Ring eines Bakteriums
Restriktionsenzyme erkennen spezifische DNA-Sequenzen. Ihre Aufgabe ist, ein DNA-Strang nach dieser spezifischen Sequenz zu schneiden.
Verschiedene Restriktionsenzyme können an der gleichen oder an verschiedenen Stellen des Plasmids stehen. Jedes Enzym hat eine bestimmte Sequenz als Erkennungsstelle. Mehrere Restriktionsenzyme können auch die gleiche Erkennungssequenz haben, sie schneiden das Plasmid aber auf verschiedene Weise.
Je nachdem, wie das Plasmid aufgeschnitten wurde, können dadurch verschiedene Enden entstehen. Die Enden der DNA müssen zu den Enden des Plasmids passen, wenn man die DNA in das Plasmid einbauen möchte.
Vorgang der Restriktion und Insertion
Das gewünschte DNA-Stück will man hier vermehren. Um die DNA zu vervielfältigen, setzt man das sogenannte PCR-Verfahren (PCR = Polymerasekettenreaktion) ein. Man benötigt einen Klonierungsvektor. In diesem Fall ist es das Plasmid eines Bakteriums.
Vektoren oder Klonierungsvektoren sind Organismen, die Bakterien- oder Viren-DNA von einem Wirt zu einem anderen transportieren.
Der Vorgang der DNA-Klonierung erfolgt in drei Schritten:
Restriktion
Das Plasmid muss an einer spezifischen Stelle aufgeschnitten werden, um das bestimmte DNA-Stück einbauen zu können. Hierfür wird ein passendes Restriktionsenzym gewählt. Das gewählte Restriktionsenzym soll die passenden Enden zum DNA-Stück haben. Mit dem Restriktionsenzym schneidet man das DNA-Stück und das Plasmid. Dieser Prozess nennt man Restriktionsverdau. Durch das Schneiden können zwei Arten der Enden entstehen: versetzte oder überlappende Enden.
Insertion
Da die Enden des DNA-Stückes und der des Plasmids perfekt zueinanderpassen sollen, sind die entstandenen Enden von großer Wichtigkeit. Das Plasmid wird mit den DNA-Stücken gemischt. Dazu wird das Enzym Ligase zugegeben.
Das Enzym Ligase ist dafür verantwortlich, DNA-Stränge miteinander zu verbinden.
Die Enden des Plasmids und der DNA werden passend übereinander gelegt. Durch die Ligase werden die überlappenden Basen unter ATP-Verbrauch durch Wasserstoffbrückenbildung verbunden. Dieser Prozess nennt man auch Ligation.
Am Ende entsteht ein Plasmid, in welches das DNA-Stück durch Insertion eingesetzt wurde.
Transformation eines Plasmids in einem Bakterium
Das Plasmid wird nicht automatisch von dem Bakterium aufgenommen, wenn Bakterien und Plasmide in der gleichen Lösung vorliegen. Dem Bakterium muss erst ein kurzer Hitze- oder Elektroschock zugeführt werden, sodass das Plasmid aufgenommen werden kann.
Nicht alle Bakterien nehmen ein Plasmid auf. Deswegen benutzt man eine Antibiotikaresistenz zum Aussortieren.
Es wird z.B. ein Gen für eine Ampicillin-Resistenz in das Plasmid eingefügt. Normalerweise würden die Bakterien nicht auf einem Medium mit Ampicillin wachsen. Sollten die Bakterien ein Plasmid aufgenommen haben, so sind sie mit dem aufgenommenen Gen resistent. Somit weisen sie eine Antibiotikaresistenz auf und können Kolonien bilden. In den Laboren wird mit den Kolonien weitergearbeitet.
Die Antibiotikaresistenz beschreibt, wie widerstandsfähig ein Bakterium gegenüber einem bestimmten Antibiotikum ist.
Einsatz von Bakterien in der Gentechnik
Der Einsatz von modifizierten Bakterien in der Gentechnik und in der Biotechnologie erlangt immer mehr Relevanz. Dank der Mikroorganismen ist vieles möglich, beispielsweise die Herstellung von Medikamente oder die Verbesserung der Qualität von medizinischen Produkten.
Anwendung von Bakterien in der Gentechnik
In der Gentechnik werden Bakterien eingesetzt, um bestimmte Gene von einem Organismus zu einem anderen zu übertragen. Das bekannteste Beispiel für den Einsatz von Bakterien ist die gentechnische Herstellung von Insulin.
Herstellung von Insulin
Seit 1980 wird Insulin mit rekombinanten Bakterien hergestellt. Insulin nutzt man, um die Zuckerkrankheit Diabetes mellitus zu behandeln und den Blutzuckerspiegel zu regulieren.
In der Biotechnologie werden Escherichia coli Bakterien eingesetzt. Die Plasmide der Bakterien dienen als Vektoren. Das Plasmid beinhaltet Bildungsvorschriften für Fusionsproteine.
Fusionsproteine entstehen, wenn ein Stopcodon hinter einem ersten Gen entfernt wird. Dann werden beide Gene als ein Protein abgelesen. Es kommt dadurch zur Chromosomenveränderung, da es hier nur von einem entstandenen Gen handelt.
Die Herstellung von Insulin läuft in drei Schritten ab:
- Bakterien werden in den Bioreaktoren vermehrt. Es wird das Fusionsprotein gebildet.
- Aus den abgetöteten Bakterien isoliert man das Fusionsprotein.
- Aus dem Fusionsprotein entsteht das Insulin. Es entsteht durch das Falten und Abspalten der restlichen Aminosäuresequenzen.
Da Insulin heutzutage in sehr großen Mengen benötigt wird, ist die gentechnische Herstellung von großem Erfolg. Die Herstellung von Insulin mit anderen Methoden in solchen großen Mengen ist nahezu unmöglich.
Grüne Gentechnik
Die grüne Gentechnik beschreibt das künstliche Einfügen artfremder DNA in die DNA der Pflanzen.
In der grünen Gentechnik wird ein Transgen mithilfe des Ti-Plasmids eingefügt. Ti-Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle des Agrobacterium tumefaciens.
Transgene sind Organismen, in dessen Genom ein Gen von einer anderen Spezies eingebaut wurde.
In der Natur wird die Pflanze mit dem Bakterium infiziert. Das Bakterium transportiert dann das Plasmid in den Wirtsorganismus.
In der Gentechnik werden neue DNA-Fragmente dem Plasmid zugefügt. Daraus entstehen vollständig ausgewachsene Pflanzen, die das bestimmte Gen aufweisen. Meist ist es ein bestimmtes Protein, das eine spezifische Aufgabe im Stoffwechsel der Pflanze erfüllen soll.
Bakterien in der Gentechnik: Vorteile und Nachteile
Die Sorge durch die Gentechnik ist, dass genetisch veränderte Organismen (GVO) in die Natur freigesetzt werden.
Die Vorteile, die durch den Einsatz von Bakterien entstehen, sind vielfältig:
- Entwicklung neuer Medikamente: Bekämpfung schwerer Krankheiten und Erbkrankheiten
- bessere Umweltverträglichkeit von Produktionsabläufen, da Mikroorganismen energie- und kostengünstig arbeiten
- gezielte Pflanzenzucht durch gentechnische Methoden
Die Nachteile, die durch den Einsatz entstehen können:
- Resistenzbildung: Schädlinge bilden immer wieder Resistenzen gegen eingesetzte Pflanzenschutzmittel.
- Durch den Einsatz von genetisch veränderter DNA können Nicht-Ziel-Organismen betroffen sein. Diese sind z.B. andere Insekten oder Tiere der Nahrungskette.
- Eingriffe in natürliche Ökosysteme
Bakterien in der Gentechnik – Das Wichtigste auf einen Blick
- Bakterien sind einzellige Mikroorganismen (Prokaryoten), die oft bei der Gentechnik und in der Biotechnologie eingesetzt werden.
- Es gibt vier Arten der Restriktionsenzyme. Das wichtigste Enzym ist das des Typs 2, weil es am häufigsten in Laboren eingesetzt wird.
- Der Vorgang des Einsetzens der fremden DNA in Bakterien erfolgt in drei Schritten:
- Restriktion
- Insertion
- Transformation
- Ziel der Einsatz von Bakterien in der Gentechnik ist es, Produkte wie Medikamente oder Pflanzen zu verbessern.
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