Die Zellen der Eukaryoten (Menschen, Tiere, Pflanzen, Pilze) mögen es kompliziert. Ihre Erbinformation (DNA) mit allen wichtigen Genen liegt stark verpackt in ihren Zellkernen, wo sie auch nicht wirklich herauskommt. Prokaryoten (Bakterien & Archaeen) legen darauf weniger Wert. Frei nach dem Motto: "Genies beherrschen das Chaos!", schwimmt ihre DNA in Form eines Bakterienchromosoms und kleinen runden DNA-Molekülen, den Plasmiden frei im Cytoplasma herum. Dabei hat diese Art der chaotischen Speicherung von Erbinformation einige Vorteile für diese winzigen Einzeller.
Definition zu Plasmiden
Plasmide sind ringförmige doppelsträngige DNA-Moleküle. Sie kommen in Prokaryoten und wenigen Eukaryoten (z. B. Hefen) vor und sind in den meisten Fällen selbstreplizierend.
Selbstreplizierend bedeutet, dass Plasmide unabhängig vom Zellzyklus der umgebenden Zelle vermehrt werden können. Dabei kommen trotzdem die Replikationsenzyme der umgebenden Zelle zum Einsatz.
Aufbau der Plasmide
Plasmide sind vollständig aus doppelsträngiger DNA aufgebaut. Im Gegensatz zu der frei im Cytoplasma liegenden doppelsträngigen DNA der Prokaryoten (Bakterienchromosom) oder den Chromosomen der Eukaryoten, besitzen Plasmide immer eine ringähnliche Form. Jedes Plasmid besitzt bis zu einigen Dutzend Gene und einen Replikationsursprung, an dem eine DNA-Polymerase für die Vervielfältigung des Plasmids ansetzen kann.
Funktion von Plasmiden
Plasmide haben in Prokaryoten und Eukaryoten ähnliche Funktionen. Da Plasmide in Eukaryoten selten vorkommen, liegt der Fokus in dieser Erklärung auf den Funktionen von Plasmiden in Prokaryoten. In Prokaryoten dienen Plasmide vorwiegend dem horizontalen Gentransfer, wobei auf einem Plasmid viele unterschiedliche Gene liegen können.
Horizontaler Gentransfer ist die Weitergabe von genetischer Information (Genen) an einen anderen Organismus, der kein direkter Nachkomme ist.
Die Konjugation ist ein Mechanismus des horizontalen Gentransfers. Sie ist die einseitige Übertragung von Erbinformation zwischen Zellen, ohne dass eine Zellteilung stattfindet. Die Zellen verbinden sich dafür über einen Sex Pilus, bzw. eine Cytoplasmabrücke.
Neben der Konjugation gibt es die Transformation und die Transduktion des horizontalen Gentransfers. Die Transformation umfasst dabei die Aufnahme von frei vorliegender DNA durch die Zelle, während die Transduktion die Übertragung von DNA durch Viren beschreibt.
Generell lassen sich die Gene auf Plasmiden jedoch drei unterschiedlichen Bereichen zuteilen, die nützliche Funktionen für die Einzeller aufweisen.
| Gen-Kategorie | Funktion |
| Stoffwechsel | Bildung von spezifische Proteine zum Abbau von bestimmten Stoffen (z. B. aromatische Kohlenwasserstoffe). |
| Antibiotikaresistenz | z. B. Veränderung des Aufbaus von Proteinen, sodass bestimmte Antibiotika nicht mehr wirken können. |
| Bildung eines Sexpilus | Bildung von Proteinen zur Ausbildung eines Sex Pilus für den horizontalen Gentransfer. |
Vorteile von Plasmiden
Die Speicherung von Erbinformation in Form von Plasmiden bietet Bakterien und Archaeen den Vorteil des Austauschs von Erbinformation. Das ist insofern ein großer Vorteil, da sich Prokaryoten durch reine Klonierung, also der Erstellung von identischen Duplikaten der Mutterzelle fortpflanzen.
Die genetische Vielfalt von Prokaryotenpopulationen könnte also ohne den horizontalen Gentransfer nicht in so großen Umfang gewährleistet werden. Mutationen sorgen natürlich für genetische Variabilität, allerdings werden über den horizontalen Gentransfer direkt nützliche Teile der Erbinformation ausgetauscht, die nicht dem Zufall der Mutationen unterliegen.
Durch die genetische Variabilität kann das Überleben der Spezies gewährleistet werden, da es in der Population immer Individuen gibt, die bei wechselnden Umweltbedingungen selektive Vorteile gegenüber anderen Individuen haben. Das Überleben der Population ist somit gegen sich rasch ändernde Umweltbedingungen abgesichert.
Multiresistente Keime entstehen unter anderem durch den horizontalen Gentransfer von Plasmiden. Da der horizontale Gentransfer speziesübergreifend geschehen kann, reicht bereits die Übertragung einer Antibiotikaresistenz (z. B. Penicillin) eines nicht krank machenden Bakteriums auf ein krank machendes Bakterium, um es mit einer Resistenz zu versehen. Wird nun ein Antibiotikum (Penicillin) verabreicht, sterben alle Bakterien ohne das Resistenz-Plasmid ab und gewähren dem überlebenden krank machenden Bakterium somit optimale Vermehrungsmöglichkeiten.
Plasmid – in der Gentechnik
In der modernen Gentechnik werden Plasmide hauptsächlich zur Modifizierung von Erbinformation verwendet. Unter der Verwendung von Restriktionsenzymen können Fremd-Gene selektiv in ein Plasmid eingesetzt werden, das im Anschluss in eine Zelle injiziert wird. In der Gentechnik spricht man hier von einem Plasmid-Vektor.
Ein Vektor ist in der Gentechnik ein Transportvehikel, mit dessen Hilfe fremde Erbinformation in Zellen eingeschleust werden kann. In manchen Fällen werden Vektoren auch Genfähren genannt.
Restriktionsenzyme können Erbinformation (DNA oder RNA) an bestimmten Erkennungssequenzen schneiden.
Werden DNA-Sequenzen durch Restriktionsenzyme geschnitten und fremde Gene eingefügt, handelt es sich bei dem Produkt um rekombinante DNA.
Plasmide als Vektoren
Plasmide weisen einige Merkmale auf, die sie für die Verwendung als Vektoren besonders interessant machen:
- Einfache Handhabung durch geringe Anzahl an Basenpaaren je Plasmid (2000-6000 bp).
- Enthalten Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme, die nur einmal im Plasmid vorkommen.
- Enthalten Gene mit Antibiotikaresistenzen, die als Markierungsgene verwendet werden können.
- Enthalten einen Replikationsursprung, sodass sie autonom repliziert werden können.
In der Wirtszelle wird das Plasmid autonom repliziert und die entsprechenden Genprodukte (Proteine) der eingesetzten Fremd-Gene über die Proteinbiosynthese der Zelle hergestellt. Neben der autonomen Replikation des eingesetzten Plasmids, kann es durch Crossing-Over ebenfalls zu der Integration von Teilen der Plasmid-DNA in das Bakterienchromosom des Wirts kommen.
Plasmide als Vektoren für Pflanzenzellen
Um fremde Erbinformation in Pflanzenzellen einzuschleusen, werden besondere Plasmide verwendet. Das Bakterium Agrobacterium tumefaciens lebt im Boden und infiziert dort die Wurzeln von Pflanzen. In der Natur löst es dabei tumorförmiges Zellwachstum aus.
Das bösartige Zellwachstum ist dabei auf einen bestimmten Teil des Tumor-induzierendes Bakterienplasmids (Ti-Plasmid) zurückzuführen, der bei Befall in die Chromosomen der Pflanzenzelle eingebaut wird. Die eingeschleusten Gene werden von der Pflanzenzelle exprimiert, was zu dem unkontrollierten Zellwachstum und der Synthese von bestimmten Zuckern führt, die das Bakterium als Nahrung nutzt.
In der Gentechnik werden die Gene für die Bildung von Tumoren und die Zuckerproduktion durch Restriktionsenzyme entfernt und durch fremde Erbinformation ersetzt. Die neuen Fremd-DNA-Plasmide werden nun in Zellen von Agrobacterium tumefaciens eingeschleust, aus denen vorher das Ti-Plasmid entfernt wurde. Diese Bakterien werden verwendet, um Pflanzenzellen zu infizieren, wo sie die Fremd-DNA in das Erbgut einbauen.
Plasmid – Das Wichtigste
- Plasmide sind ringförmige doppelsträngige DNA-Moleküle, die hauptsächlich in Prokaryoten (Bakterien & Archaeen) vorkommen. Sie werden außerhalb des Zellzyklus autonom vermehrt und enthalten Gene für den Stoffwechsel, Resistenzen gegen Antibiotika oder zur Ausbildung eines Sex Pilus.
- Plasmide können durch horizontalen Gentransfer zwischen Zellen ausgetauscht werden. Dies sichert die genetische Vielfalt in prokaryotischen Populationen.
- Plasmide werden in der Gentechnik als Vektoren eingesetzt und können die Synthese des Genprodukts von zellfremden Genen in der Wirtszelle ermöglichen.
Nachweise
- Sadava et al. (2019), Purves Biologie, Springer Spektrum.
- Olaf Fritsche (2016), Mikrobiologie, Springer Spektrum.
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