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Rekombinante DNA

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Rekombinante DNA

Die Gentechnik oder auch Gentechnologie ist ein Anwendungsbereich der Genetik. Methoden der Gentechnik haben das Ziel Erbgut zu untersuchen, zu vervielfältigen oder zu verändern. Die Herstellung von rekombinanter DNA ist ein Teilprozess zur Veränderung von Erbgut.

Rekombinante DNA - Definition, Werkzeuge und Anwendung

In der Gentechnik wird Erbgut (DNA) verändert. Genetisches Material (DNA beziehungsweise Gene) wird neu angeordnet und verknüpft (rekombiniert). Wie rekombinante DNA definiert ist, welche unterschiedlichen Werkzeuge benötigt werden, um diese herzustellen und wofür diese Methode angewendet werden kann, kannst du dir in dem folgenden Abschnitt aneignen.

Unter rekombinanter DNA versteht man ein künstliches DNA-Fragment, welches mithilfe von gentechnischen Methoden im Labor (in vitro) hergestellt wurde. Hierfür wird genetisches Material (zum Beispiel ein Gen) aus einem Spenderorganismus isoliert und mit anderem genetischen Material verknüpft. Durch die Neuanordnung (Rekombination) wird die genetische Information verändert.

Benötigte Werkzeuge zur Herstellung von rekombinanter DNA

Wie in den meisten gentechnologischen Methoden werden zur Herstellung von rekombinanter DNA unterschiedliche gentechnische Werkzeuge benötigt. Bei diesen gentechnologischen Werkzeugen handelt es sich meistens um unterschiedliche Enzyme, welche bestimmte Reaktionen begünstigen.

Enzyme sind Proteine, welche in den Zellen von Organismen an einer Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen beteiligt sind. Hierbei dienen sie als Biokatalysatoren. Biokatalysatoren ermöglichen, dass Reaktionen schneller ablaufen bzw. stattfinden können.

Benötigte Enzyme

  • Ligasen: Ligasen sind der Gegenspieler zu Restriktionsenzymen. Ligasen sind Enzyme, welche doppelsträngige DNA-Fragmente unter bestimmten Voraussetzungen wieder miteinander verknüpfen.
  • Polymerasen: Polymerasen sind Replikationsenzyme. Polymerasen ermöglichen die Replikation, also die Verdopplung beziehungsweise die Vervielfältigung von DNA-Fragmenten.

Weitere Werkzeuge

  • Vektoren: Vektoren dienen als Transportmittel für Nukleinsäuren (DNA-Fragmente). In der Gentechnik werden Vektoren genutzt, um rekombinante DNA in eine Wirtszelle beziehungsweise in einen Organismus zu integrieren. Ein typischer Vektor sind Plasmide. Plasmidvektoren sind kleine ringförmige DNA-Fragmente, welche aus Bakterien isoliert werden.

Du möchtest mehr über die genetischen Werkzeuge erfahren? Nutze die StudySmarter Artikel "Enzyme der Gentechnik" und "Vektoren" um mehr über deren Aufbau und Funktionsweise zu lernen.

Anwendung

Die Herstellung von rekombinanter DNA ist Teil von vielen gentechnischen Standardverfahren. Diese Technik spielt eine bedeutende Rolle in der genetischen Grundlagenforschung, sowie in industriell relevanten und biotechnologischen Verfahren.

Nach der Herstellung von rekombinanter DNA wird diese in eine Wirtszelle oder Wirtsorganismus integriert. Es entsteht ein transgener Organismus.

Durch die Integrierung ausgewählter Gene in Bakterienzellen können gewünschte Proteine durch Bakterien hergestellt werden. In der Pflanzen- und Tierzucht versucht man genetisch modifizierte Individuen (transgene Organismen) hervorzubringen, welche eine stärkere Ausprägung gewünschter Merkmale aufweisen.

Transgene Organismen sind Lebewesen, in denen fremdes genetisches Material (DNA / Erbgut) integriert wurde. Das integrierte genetische Material kann von einer anderen Art stammen.

Herstellung von Humaninsulin

Diabetiker sind auf die Zuführung von Insulin angewiesen. Früher wurde Patienten Insulin von Schweinen verabreicht, welches für den Menschen nicht immer gut verträglich ist. Seit 1980 ist es möglich, mithilfe von gentechnischen Verfahren, Humaninsulin zu produzieren.

Zur Herstellung von Humaninsulin wird das Gen aus einer menschlichen Zelle isoliert. Anschließend wird das Gen in einen Plasmidvektor integriert. Hierbei wird das Gen mit der Vektor-DNA neu verknüpft, wodurch rekombinante DNA entsteht.

Die rekombinante DNA, in Form eines Plasmidrings, wird im nächsten Schritt in eine geeignete Bakterienzelle integriert. Wurde die rekombinante DNA erfolgreich integriert, kann die entsprechende Bakterienzelle vermehrt werden.

In den Bakterienzellen wird das Gen durch die Proteinbiosynthese in das Protein Humaninsulin umgesetzt. Zuletzt wird das Protein aus den Bakterien isoliert und kann zu einem Medikament verarbeitet werden. Proteine, die auf diese Weise produziert werden, bezeichnet man als rekombinante Proteine.

Rekombinante Proteine sind Proteine, welche biotechnologisch, mithilfe von genetisch modifizierten Organismen, hergestellt wurden. Rekombinante Proteine entstehen, wenn rekombinante DNA in Proteine umgesetzt werden (durch die Proteinbiosynthese der transgenen Wirtsorganismen).

Herstellung Rekombinanter DNA - Schritt für Schritt

Zur Herstellung rekombinanter DNA werden verschiedene Schritte in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt. Dabei kommen die genannten gentechnischen Werkzeuge zum Einsatz. Im folgenden Abschnitt wird auf die einzelnen Schritte der Methode eingegangen.

1. Isolierung der DNA

Zur Isolierung von DNA wird die Membran und der Zellkern der Spenderzelle aufgelöst. Anschließend werden die enthaltenen Proteine durch Enzyme (Proteasen) abgebaut. Mithilfe von Ethanol kann die DNA von der Lösung separiert werden. Durch Restriktionsenzyme wird die DNA in Fragmente geschnitten, welche geeignet sind, um sie in einen Vektor zu integrieren.

2. Isolierung und Aufschneiden des Vektors

Häufig werden Plasmide aus Bakterien (Plasmidvektoren) isoliert, oder modifizierte Virus-Partikel als Vektoren genutzt. Diese werden isoliert und entsprechend modifiziert, um als Vektor funktionieren zu können. Im nächsten Schritt wird die Vektor-DNA an einer spezifischen Stelle geschnitten. Es entsteht eine Lücke, in welcher die Spender-DNA integriert werden kann.

Wichtig ist, dass beim Schneiden der Spender-DNA und der Vektor-DNA die selben Restriktionsenzyme genutzt werden. Dadurch sind die Enden der Fragmente komplementär zueinander und können wieder miteinander verknüpft werden.

3. Hybridisierung

Die Hybridisierung ist der Schritt der Rekombination der DNA. Die Spender-DNA wird mit der Vektor-DNA, mithilfe von Ligasen, verknüpft. Als Produkt erhält man rekombinante DNA (Abbildung 1).

Wird die Spender-DNA in einen Plasmidvektor integriert, spricht man nach der Verknüpfung von einem Hybridplasmid.

rekombinante DNA Definition Hybridplasmid StudySmarter

4. Integrierung in eine Wirtszelle

Im nächsten Schritt wird die rekombinante DNA in eine Wirtszelle eingeschleust. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Gentransfer. Je nachdem welcher Vektor genutzt wurde und in welchen Organismus die rekombinante DNA integriert werden soll, wurden unterschiedliche Verfahren zur Integrierung entwickelt.

Plasmidvektoren werden durch Transformation in die Wirtszelle integriert. Hierfür wird die Wirtszelle (Bakterien- oder Tierzelle), zum Beispiel Calciumionen, mit kurzen elektronischen Impulsen behandelt. Durch diese Behandlung wird die Membran für die Vektoren durchlässig gemacht. Die Plasmidvektoren können über die Zellmembran in die Wirtszelle integriert werden.

Bei einem Gentransfer mittels Plasmidvektoren spricht man von einer Transformation. Eine Transformation ist die Integration von Fremd-DNA in einen Organismus, ohne die Hilfe von Viren oder einer Spenderzelle.

Als Gentransfer wird das Einbringen oder Übertragen von genetischem Material (DNA oder RNA) in eine Wirtszelle bezeichnet. Durch den Gentransfer können Organismen gentechnisch modifiziert werden.

5. Selektive Identifizierung

Die Methode zur Herstellung von rekombinanter DNA und deren einzelne Teilschritte haben keine 100%ige Erfolgsquote. Am Beispiel der Plasmidvektoren hat das zur Folge, dass bei der Hybridisierung, die Spender-DNA nur von einem Teil der Plasmidvektoren integriert wird. Im Teilschritt der Transformation nimmt nur ein geringer Teil der Bakterienzellen ein Plasmid in sich auf.

Daher müssen die Wirtszellen, in denen die Spender-DNA erfolgreich integriert wurde, von den anderen unterschieden werden. Hierfür werden Eigenschaften genutzt, welche den Wirtszellen durch die integrierten Vektoren verliehen werden.

Am folgenden Beispiel kannst du dir ein Bild davon machen, wie ein Selektionsverfahren, zur Identifizierung von erfolgreich integrierter rekombinanter DNA, aussehen kann.

Hybridvektor Klonselektion (Abblidung 2)

Plasmidvektoren beinhalten häufig zwei Antibiotika-Resistenzgene (z.B für Ampicillin und Tetracyclin), welche für entsprechende Selektionsverfahren genutzt werden.

Plasmidvektoren, in denen die Spender-DNA erfolgreich integriert wurde (Hybridplasmid), besitzen nur noch ein Antibiotika-Resistenzgen. Das ist der Fall, da die Spender-DNA anstelle eines der Resistenzgene eingefügt wird. Plasmide, in denen der Einbau der DNA gescheitert ist, verleihen Bakterien Resistenzen gegenüber beiden Antibiotika-Arten.

Die Bakterien werden jetzt auf zwei unterschiedlichen Nährböden zu Bakterienkolonien kultiviert. Einer der Nährböden beinhaltet das Antibiotikum (Beispiel: Ampicillin) gegen welches beide Bakterienarten resistent sind. Der andere Nährboden beinhaltet beide Arten Antibiotika (Beispiel: Ampicillin und Tetracyclin).

Auf dem Nährboden mit dem Ampicillin wachsen alle Bakterien, die erfolgreich einen Plasmidvektor in sich aufgenommen haben. Auf dem Nährboden mit Ampicillin und Tetracyclin wachsen nur die Bakterien, die einen Plasmidvektor ohne Fremd-DNA aufgenommen haben.

Da die Bakterien durch die sogenannte Stempeltechnik von einem Nährboden auf den anderen Nährboden übertragen wurden (die Bakterien sind dadurch identisch angeordnet), können im Anschluss die Bakterien selektiert werden, welche Hybridvektoren mit der integrierten Fremd-DNA aufgenommen haben.

Im Anschluss werden diese Bakterien dann vermehrt. Die Nachkommen besitzen die identische DNA und somit auch das integrierte DNA-Fragment.

6. Vermehrung der transgenen Organismen

Sind die Zellen mit der integrierten DNA identifiziert, werden diese im nächsten Schritt vermehrt. Bei der Vermehrung der Zellen spricht man von einer sogenannten Klonierung. Durch die Replikationsenzyme der Wirtszelle (DNA-Polymerasen) wird der Vektor samt der integrierten DNA vervielfacht. Somit kann diese an die nächste Zellgeneration weitergegeben werden. Es entsteht eine Zellkolonie mit identischem Erbgut.

Als Klonierung wird die Herstellung identischer Zellen mit gleichem Erbgut bezeichnet (Klone), aber auch die Vervielfältigung eines bestimmten DNA-Fragments (DNA-Klonierung).

Rekombinante DNA - Das Wichtigste auf einen Blick

  • rekombinante DNA entsteht, wenn genetisches Material (DNA beziehungsweise Gene) isoliert und mit anderer DNA neu verknüpft und angeordnet wird (rekombiniert).
  • Zur Herstellung rekombinanter DNA werden Ligasen, Restriktionsenzyme, Polymerasen und Vektoren benötigt.
  • Nach der Isolation von Vektor- und Spender-DNA werden diese mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnitten.
  • Bei der Hybridisierung werden Vektor- und Spender-DNA durch Ligasen zur rekombinanten DNA verknüpft.
  • Via Gentransfer wird die rekombinante DNA in eine geeignete Wirtszelle eingeschleust.
  • Mithilfe von Selektionsverfahren werden transgene Wirtszellen von anderen unterschieden.
  • Rekombinante DNA wird in der Biotechnologie verwendet, um mithilfe von Bakterien rekombinante Proteine herzustellen (Beispiel: Insulin).
  • In der Tier- und Pflanzenzucht wird rekombinante DNA verwendet, um Organismen gentechnologisch zu optimieren.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Rekombinante DNA

Rekombinante Proteine sind Proteine, welche mithilfe von genetisch modifizierten Organismen hergestellt wurden. Ein rekombinantes Protein entsteht, wenn rekombinante DNA in ein Protein umgesetzt wird.

Unter rekombinanter DNA versteht man ein künstlich DNA-Fragment,  welches mithilfe von gentechnischen Methoden im Labor (in vitro) hergestellt wurde. Hierfür wird genetisches Material (zum Beispiel ein Gen) aus einem Spenderorganismus isoliert und mit anderem genetischen Material verknüpft.  Durch die Neuanordnung (Rekombination) wird die genetische Information verändert.


Rekombinante sind gentechnologisch Veränderte Biomoleküle.

Ein rekombinantes Plasmid ist ein Plasmidvektor in den Fremd-DNA integriert wurde.

Finales Rekombinante DNA Quiz

Frage

Definiere den Begriff rekombinante DNA.

Antwort anzeigen

Antwort

Unter rekombinanter DNA versteht man ein künstliches DNA Fragment,  welches mithilfe von gentechnischen Methoden im Labor (in vitro) hergestellt wurde. Hierfür wird genetisches Material (zum Beispiel ein Gen) aus einem Spenderorganismus isoliert und mit anderem genetischen Material verknüpft.  Durch die Neuanordnung (Rekombination) wird die genetische Information verändert.

Frage anzeigen

Frage

Welche Werkzeuge der Gentechnik werden zur Herstellung rekombinanter DNA benötigt?

Antwort anzeigen

Antwort

Restriktionsenzyme, Ligasen, Polymerasen, Vektoren

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter transgenen Organismen?

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Antwort

Transgene Organismen sind Lebewesen, in denen fremdes genetisches Material (Erbgut) integriert wurde. Das intergierte genetische Material kann von einer anderen Art stammen.

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Frage

Beschreibe kurz wie Humaninsulin hergestellt werden kann.

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Antwort

  1. Das Gen für Humaninsulin wird aus einer menschlichen Zelle isoliert.
  2. Das isolierte Gen wird in einen geeigneten Plasmidvektor integriert (es entsteht rekombinante DNA).
  3. Der Plasmidvektor wird in eine geeignete Bakterienzelle integriert (Transformation).
  4. Bakterienzellen mit dem integrierten Insulin-Gen werden selektiert und vermehrt.
  5. Die transgenen Bakterien produzieren das Humaninsulin, welches anschließend isoliert werden kann.
Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter rekombinanten Proteinen?

Antwort anzeigen

Antwort

Rekombinante Proteine sind Proteine, welche biotechnologisch mithilfe von genetisch modifizierten Organismen hergestellt wurden. Rekombinante Proteine entstehen, wenn rekombinante DNA in Proteine umgesetzt wird (durch die Proteinbiosynthese der transgenen Wirtsorganismen).

Frage anzeigen

Frage

Benenne die 6 Teilschritte für die Herstellung von rekombinanter DNA.

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Antwort

  1. Isolierung der Spender-DNA
  2. Isolierung und aufschneiden eines passenden Vektors
  3. Hybridisierung
  4. Integrierung in eine Wirtszelle
  5. Selektive Identifizierung
  6. Vermehrung der transgenen Organismen (Klonierung)
Frage anzeigen

Frage

Wie wird Spender-DNA aus einer entsprechenden Spenderzelle isoliert?

Antwort anzeigen

Antwort

Zur Isolierung von DNA wird die Membran  und der Zellkern der Spenderzelle aufgelöst. Anschließend werden die enthalten Proteine durch Enzyme (Proteasen) abgebaut. Mithilfe von Ethanol kann die DNA von der Lösung separiert werden.


 Durch Restriktionsenzyme wird die DNA in Fragmente geschnitten, welche geeignet sind, um sie in einen Vektor zu intergieren.

Frage anzeigen

Frage

Worauf muss geachtet werden, damit Spender-DNA erfolgreich in einen Vektor integriert werden kann ?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Spender-DNA und die Vektor-DNA müssen mit den gleichen Restriktionsenzymen geschnitten werden. Dadurch sind die entstehenden Enden der DNA-Fragmente komplementär zueinander und können durch Ligasen miteinander veknüpft werden.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Hybridisierung.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Spender-DNA wird durch Ligasen mit der Vektor-DNA verknüpft. Als Produkt erhält man rekombinante DNA.

Frage anzeigen

Frage

Welches Produkt entsteht wenn Spender-DNA in einen Plasmidvektor integriert wird?

Antwort anzeigen

Antwort

Hybridplasmid

Frage anzeigen

Frage

Worum handelt es sich bei einem Gentransfer?

Antwort anzeigen

Antwort


Als Gentransfer wird das Einbringen oder Übertragen von genetischen Material (DNA oder RNA) in eine Wirtszelle bezeichnet. Durch Gentransfer können Organismen gentechnisch modifiziert werden.


Frage anzeigen

Frage

Welche Form des Gentransfers liegt vor, wenn ein Plasmidvektor in eine Wirtszelle integriert wird?

Antwort anzeigen

Antwort

Transformation

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Transformation von Plasmidvektoren in eine Wirtszelle im Labor begünstigt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wirtszelle wird mit Kalziumionen und elektrischen Impulsen behandelt. Durch die Behandlung wird die Membran für die Vektoren durchlässig gemacht. 

Frage anzeigen

Frage

Wieso muss eine Selektive Identifikation nach der rekombinanten DNA-Technik angewendet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Methode zur Herstellung von rekombinanter DNA und deren einzelne Teilschritte haben keine 100% Erfolgsquoten. 

Daher müssen die Wirtszellen, in denen die Spender-DNA erfolgreich intergiert wurde, von den Anderen unterschieden werden. Hierfür werden Eigenschaften genutzt welche den Wirtzellen durch die intergierten Vektor verliehen werden.

Frage anzeigen

Frage

Welche Bestandteile der Plasmidvektoren werden genutzt , um die Selektion von transgenen Oragnismen durchzuführen ?

Antwort anzeigen

Antwort

Typische Plasmidvektoren beinhalten zum Zweck der Selektion  zwei Antibiotika Resistenzgene (z.B für Apicilin und Tetracyclin).


Frage anzeigen

Frage

Definiere Klonierung.

Antwort anzeigen

Antwort

Als Klonierung wird die Herstellung identischer Zellen mit gleichem Erbgut bezeichnet (Klone) und die Vervielfältigung eines bestimmten DNA-Fragments (DNA-Klonierung).

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