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Vektoren Biologie

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Vektoren Biologie

Die Gentechnik oder auch Gentechnologie ist ein Anwendungsbereich der Genetik. Methoden der Gentechnik haben das Ziel, Erbgut zu untersuchen, zu vervielfältigen oder zu verändern. Zur Ausübung der Gentechnik benötigt man entsprechende Werkzeuge. Eines dieser Werkzeuge sind Vektoren.

Vektoren Biologie – Definition und Eigenschaften

Vektoren, auch "Gentaxi" oder "Genfähren" genannt, sind wichtige Werkzeuge der Gentechnik. Sie werden in der Gentechnik für den sogenannten Gentransfer benötigt. Als Gentransfer wird das Einbringen oder Übertragen von Fremd-DNA in eine Wirtszelle bezeichnet. Durch Gentransfer können Organismen gentechnisch modifiziert werden.

Vektoren Biologie – Definition

Der Begriff Vektor kommt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie "Träger".

In der Gentechnik bezeichnet ein Vektor ein Transportmittel für Nukleinsäuren (DNA).

Für einen Gentransfer wird ein gewünschtes DNA-Fragment (Erbgut) in einen Vektor integriert. Anschließend wird der Vektor als Träger und Transportmittel der Fremd-DNA in einen entsprechenden Organismus eingebracht.

Ein typischer Vektor besteht aus einer eigenen Vektor-DNA. Er besitzt Mechanismen oder Eigenschaften, um DNA in eine Wirtszelle einzuschleusen beziehungsweise, um von ihr aufgenommen zu werden.

Vektoren Biologie – Eigenschaften

Um einen Gentransfer ermöglichen zu können, muss ein Vektor bestimmte Eigenschaften besitzen.

1. Vektoren müssen replizierbar sein.

Das bedeutet, dass der Vektor durch DNA-Polymerasen verdoppelt werden kann. Nachdem ein Gentransfer erfolgreich durchgeführt wurde, ist es wichtig, dass die Wirtszelle den integrierten Vektor replizieren kann. Nur so kann die integrierte Fremd-DNA auch an die nächste Generation der Zelle weitergegeben werden. Damit ein Vektor replizierbar ist, benötigt dieser Erkennungssequenzen (Startpunkt) für die entsprechenden Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen).

2. Vektoren müssen einfach und in großen Mengen isolierbar sein.

Die meisten Vektoren, die in der Gentechnik Verwendung finden, stammen aus Bakterien oder Viren. Bakterien und Viren lassen sich schnell vermehren und entsprechende Vektoren lassen sich relativ einfach aus ihnen isolieren beziehungsweise herstellen.

3. Die Vektor-DNA müssen geeignete Schnittstellen für Restriktionsenzyme besitzen.

Restriktionsenzyme sind Enzyme, welche DNA-Moleküle an spezifischen Stellen schneiden. Damit Fremd-DNA in einen Vektor integriert werden kann, muss die Vektor-DNA an entsprechenden Abschnitten zerschnitten werden. Durch das Zerschneiden entsteht eine Lücke, wo das Fragment integriert werden kann.

Wie Restriktionsenzyme funktionieren, kannst du in den StudySmarter Originals Enzyme der Gentechnik und Restriktionsenzyme nachlesen.

4. Vektoren müssen der Wirtszelle bestimmte Eigenschaften verleihen.

Nicht immer ist der gewünschte Gentransfer erfolgreich. Damit Wirtszellen mit integrierter Fremd-DNA von Zellen ohne integrierter DNA voneinander unterschieden werden können, wird ein Selektionsverfahren angewandt. Entsprechende Eigenschaften, die durch die integrierten Vektoren verliehen werden, werden für das Selektionsverfahren benötigt.

Die wichtigsten Vektortypen im Überblick

Wie schon erwähnt, stammen viele Vektoren aus Bakterien oder Viren. Je nachdem, aus welchen Organismus die Vektoren gewonnen werden, beziehungsweise welche Organismen als Vektoren genutzt werden, sind diese in unterschiedliche Vektortypen eingeteilt.

Plasmidvektoren

Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Strukturen. Sie sind in dem Zellplasma von Bakterien (Prokaryoten) zu finden. Plasmide sind nicht Teil des Bakterien-Chromosoms, aber zählen als Teil des Erbgutes zum Genom der Bakterien. Auf einem Plasmid liegen bestimmte Gene, welche in der Bakterienzelle in Proteine umgesetzt werden.

In den meisten Fällen sind keine lebensnotwendigen Gene auf den Plasmiden zu finden. Gene auf Plasmiden codieren häufig für Proteine, welche dazu führen, dass Bakterien besser an bestimmte Umweltbedingungen angepasst sind. Ein Beispiel für typische Plasmid-Gene sind Gene, welche Antibiotikaresistenzen hervorrufen.

Plasmidvektoren sind relativ kleine Vektoren. Damit es nach Integrierung eines DNA-Fragments erneut zur Ringbildung kommt, darf das zu integrierende Fragment nicht zu groß sein. Die maximale Kapazität von Plasmidvektoren liegt ca. bei 10–15 kbp (10 000 – 15 0000 Basenpaare).

Plasmide sind einfach zu verwenden, da sie klein und leicht zu isolieren sind. Daher werden sie häufig als Vektoren in der Gentechnik verwendet. Wie genau Plasmide aufgebaut sind und wie sie als Vektoren genutzt werden, kannst du im letzten Abschnitt des Artikels nachlesen.

Bakterien haben die Möglichkeit, Plasmide durch Konjugation auf andere Bakterien zu übertragen. Hierbei handelt es sich um einen horizontalen Gentransfer. Also um eine Übertragung von Erbgut, welches nicht auf Vermehrung zurückzuführen ist.

Ein sogenanntes Fertilitätsplasmid ermöglicht die Übertragung von Plasmiden zwischen zwei Bakterienzellen. Die Übertragung findet unter Ausbildung einer Plasmabrücke statt. So können zum Beispiel Antibiotikaresistenzen auf andere Bakterien übertragen werden.

Virale Vektoren

Viren vermehren sich, indem sie ihr Genom (Erbgut) in eine Wirtszelle integrieren. Diese Eigenschaft von Viren macht sich die Gentechnik zunutze. Virus-Partikel werden so gentechnisch modifiziert, dass sie ein gewünschtes DNA-Fragment in eine entsprechende Wirtszelle einbringen. Ein Gentransfer, welcher durch Viren vermittelt wird, wird in der Genetik als Transduktion bezeichnet.

Du möchtest mehr über die Vermehrung von Viren erfahren und wie sie ihr Genom in entsprechende Wirtszellen einschleusen? Das und mehr kannst du im StudySmarter Original Viren im Themenbereich der Immunologie nachlesen.

Eine typische Anwendung für virale Vektoren ist die Impfung durch Vektorimpfstoffe.

Hierbei werden für den Menschen unschädlich gemachte Viren verwendet (zum Beispiel Adenoviren). In diese Viren werden DNA-Fragmente des zu bekämpfenden Virus integriert. Diese enthalten einen DNA-Bauplan eines Teils des Virus-Partikels. Hierbei eignen sich Gene, welche den Bauplan für Proteine der Virushülle enthalten, da diese gut von unserem Immunsystem erkannt werden können. Die einzelnen Proteine des Virus sind für unsere Zelle unschädlich.

Die Adenoviren dienen als Vektoren und schleusen das Gen in unsere Zellen. Hier wird das Gen abgelesen und in entsprechende Proteine umgesetzt. Unser Immunsystem erkennt diese als Fremd-Proteine und bildet Antikörper zum Abbau.

Kommt es zu einer Infektion mit richtigen Virus-Partikeln, erkennt unser Immunsystem diese und bildet entsprechende Antikörper. So kann durch virale Vektoren eine Immunität aufgebaut werden.

In dem StudySmarter Originals Impfung kannst du die Thematik der Schutzimpfung und derer Wirkungsmechanismen vertiefen.

Bakteriophagen

Bakteriophagen sind Viren, welche Bakterienzellen befallen. Bakteriophagen schleusen ihr Genom von außen in eine Wirtszelle. Dort wird es unter geeigneten Bedingungen in das Genom integriert. Modifizierte Bakteriophagen werden häufig als Vektoren genutzt. Je nach Art der Bakteriophagen variiert die Kapazität des integrierbaren DNA-Fragments (bis zu 100 kbp).

Klonierungsvektoren und Expressionsvektoren

Klonierungsvektoren sind Vektoren, die genutzt werden, um Fremd-DNA in eine Wirtszelle einzubringen. In der Wirtszelle wird das Fragment beziehungsweise der Vektor durch Vermehrung der Wirtszelle vervielfacht (Klonierung). Durch einen Klonierungsvektor werden DNA-Fragmente lediglich vervielfacht, nicht jedoch in mRNA und somit in Proteine umgesetzt.

Expressionsvektoren sind spezielle Vektoren, welche die Umsetzung der integrierten Fremd-DNA in mRNA induzieren (Transkription) und somit die Umsetzung in Proteine ermöglichen (Translation).

Weitere Vektortypen

Neben Plasmid-Vektoren und viralen Vektoren gibt es noch einige andere Vektoren, die für spezielle Methoden und spezielle Wirtsorganismen verwendet werden.

Künstliche Bakterielle Chromosomen (BACs) können, vereinfacht, als größere Plasmide gesehen werden. Sie werden verwendet, wenn es darum geht, große DNA-Fragmente in eine Wirtszelle zu integrieren (Kapazität bis zu 300 kbp).

Cosmide und Phagemide sind sogenannte Hybridvektoren. Hierbei handelt es sich um Plasmide, welche aus viraler DNA von Bakterienviren (Bakteriophagen) gewonnen werden. Cosmide haben den Vorteil gegenüber Plasmiden, dass sie eine höhere Kapazität für Fremd-DNA aufweisen (Kapazität bis zu 50 kbp). Allerdings sind sie schwerer zu handhaben.

Der Vektor mit der größten DNA-Kapazität sind die künstlichen Hefe-Chromosomen (YACs) (Kapazität bis zu 2000 kpb). Hierbei handelt es sich um DNA Fragmente, welche dem Chromosom des Hefepilzes nachempfunden sind. Sie lassen sich aufgrund ihrer Größe nur schwer handhaben und sind zum Teil instabil bei der Vermehrung durch Mitose und Meiose.

Plasmide als Vektoren

Plasmidvektoren sind die am häufigsten verwendeten Vektoren der Gentechnik. Sie sind Bestandteil vieler gentechnischer Standardmethoden.

Aufbau

Plasmide sind ringförmige DNA Fragmente, welche aus Bakterien isoliert werden. Folgende Abschnitte sind auf einem typischen Plasmidvektor zu finden.

  • Startstelle für Replikation: Hierbei handelt es sich um eine Erkennungssequenz, an welcher Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen) binden können. Damit ist eine Vervielfältigung des Vektors gewährleistet.
  • Gensequenzen für Antibiotikaresistenzen: Plasmide werden so modifiziert, dass sie Gensequenzen enthalten, welche entsprechende Antibiotikaresistenzen in den Bakterien hervorrufen. Diese Sequenzen sind entscheidend für die Selektion von transgenen Bakterien.
  • Schnittstellen für Restriktionsenzyme: Plasmidvektoren enthalten Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme. Es handelt sich um die Stelle, an die ein DNA-Fragment eingefügt werden kann. Wichtig für die spätere Selektion ist, dass die Erkennungssequenzen innerhalb des Genabschnitts für eines der Antibiotikaresistenzen liegt.

Transgene Organismen sind Lebewesen, in denen fremdes genetisches Material (Erbgut) integriert wurde. Der Gentransfer geht dabei über die Artgrenze hinaus.

Vektoren Biologie Aufbau Plasmidvektor StudySmarterAbbildung 1: Schematische Darstellung eines Plasmidvektors Quelle: blog.addgene.org

Gentransfer durch Plasmidvektoren

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.

Hierzu werden mithilfe von Restriktionsenzymen und Ligasen DNA-Fragmente in Plasmidvektoren integriert. Ein Plasmidvektor, in den erfolgreich ein DNA-Fragment integriert wurde, wird Hybridplasmid genannt. Anschließend werden die Plasmidvektoren durch Transformation von geeigneten Bakterienzellen aufgenommen. Durch ein Selektionsverfahren werden die richtigen transgenen Bakterien erkannt und anschließend vermehrt.

Für das Selektionsverfahren ist es entscheidend, dass zwei Antibiotika-Resistenzgene auf dem Plasmid liegen. So können mithilfe von spezifischen Nährböden, Bakterien mit integrierter Fremd-DNA von Bakterien ohne Fremd-DNA unterschieden werden.

Die Isolierung von Genen und anschließende Integrierung in eine andere Zelle durch einen Vektor, wird auch als Herstellung von rekombinanter DNA beziehungsweise als rekombinante DNA-Technik bezeichnet.

In dem StudySmarter Original Herstellung rekombinanter DNA lernst du wie diese Technik angewandt wird. Dabei erhältst du Einblicke in die einzelnen Schritte der Herstellung von rekombinanter DNA beziehungsweise in den Gentransfer durch Plasmidvektoren.

Vektoren Biologie - Das Wichtigste

  • Vektoren sind Transportmittel für Nukleinsäuren (DNA).
  • Vektoren werden in der Gentechnik genutzt, um DNA in Zellen beziehungsweise Organismen zu integrieren (Gentransfer).
  • Zu den wichtigsten Vektoren der Gentechnik gehören Plasmidvektoren und virale Vektoren.
  • Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Fragmente, welche aus Bakterien isoliert werden.
  • Virale Vektoren sind unschädlich gemachte Virus-Partikel, welche zum Gentransfer verwendet werden.
  • Ein typischer Plasmidvektor hat eine Startsequenz zur Replikation, Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme und zwei Antibiotika-Resistenzgene.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Vektoren Biologie

Ein Vektor ist ein Transportmittel für DNA. In der Gentechnik werden Vektoren verwendet um gewünschte DNA in einen Organismus einzubringen.

Vektoren der Gentechnik werden auch Gentaxis genannt. Es handelt sich dabei um Transportmittel für DNA-Fragmente. 

Plasmide sind ringförmige DNA-Strukturen in Bakterien. Sie können als zusätzliches genetisches Material zum Chromosom angesehen werden. In der Gentechnik werden sie als Vektoren genutzt. 

Ein typischer Vektor besitzt eine Startpunkt für Replikation, einen Abschnitt in den ein DNA-Fragment integriert werden kann und eine Markersequenz für Selektionsverfahren (z.B Resistenzgene für Antibiotika).

Finales Vektoren Biologie Quiz

Frage

Was ist ein Vektor (Gentechnik)?

Antwort anzeigen

Antwort

Vektoren sind Werkzeuge der Gentechnik. Sie dienen als Transportmittel für Nukleinsäuren (DNA).

Frage anzeigen

Frage

Wozu werden Vektoren in der Gentechnik verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Vektoren werden verwendet um Fremd-DNA in eine Zelle beziehungsweise einen Organismus zu integrieren (Gentransfer).

Frage anzeigen

Frage

Nenne die wichtigsten Eigenschaften von Vektoren (4 Eigenschaften).

Antwort anzeigen

Antwort

1. Vektoren müssen replizierbar sein.

2.  Vektoren müssen einfach und in großen Mengen replizierbar sein.

3. Vektoren benötigen geeignete Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme.

4. Vektoren müssen der Wirtszelle bestimmte Eigenschaften verleihen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die wichtigsten Vektortypen. 

Antwort anzeigen

Antwort

Plasmidvektoren

Virale Vektoren

Bakteriophagen

Frage anzeigen

Frage

Nenne Vorteile und Nachteile von Plasmidvektoren.

Antwort anzeigen

Antwort

Plasmide sind leicht zu handhaben, da sie klein und leicht zu isolieren sind.

Aufgrund ihrer Größe ist die Länge des zu integrierenden DNA-Fragments limitiert.

Frage anzeigen

Frage

Nenne drei verschiedene Arten des Gentransfers.

Antwort anzeigen

Antwort

Transformation (Integrierung von freier DNA in eine Zelle)

Transduktion (Gentransfer durch Viren)

Konjugation (Gentransfer von einer Spenderzelle auf eine Empfängerzelle)

Frage anzeigen

Frage

Inwiefern unterscheiden sich Klonierungsvektoren von Expressionsvektoren?

Antwort anzeigen

Antwort

Klonierungsvektoren werden genutzt um integrierte DNA-Fragmente (zum Beispiel Gene) zu vervielfältigen (klonieren). 

Expressionsvektoren werden genutzt um die im Vektor integrierten Gene in Proteine umzusetzen.

Frage anzeigen

Frage

Wieso befinden sich Antibiotikaresistenzgene auf Plasmidvektoren? 

Antwort anzeigen

Antwort

Sie verleihen der Wirtszelle entsprechende Resistenzen. Dies wird in Selektionsverfahren genutzt, um Bakterien mit integrierter DNA von anderen zu unterscheiden.

Frage anzeigen

Frage

Was kann nicht als Vektor verwendet werden ?

Antwort anzeigen

Antwort

Künstliches Bakterien Chromosom (BAC)

Frage anzeigen
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