Bakterielle Transformation
Hintergrund
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Lungenentzündung für einen großen Teil der Todesfälle durch Infektionskrankheiten verantwortlich1.…
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts arbeitete ein britischer Bakteriologe namens Frederick Griffith mit dem Lungenentzündung verursachenden Bakterium Streptococcus pneumoniae. Er führte ein einfaches Experiment mit zwei verschiedenen Stämmen durch. Ein Stamm ist als S-Stamm bekannt, weil er durch eine Schutzkapsel geschützt ist, die die von ihm gebildeten Kolonien oder Klumpen glatt erscheinen lässt und ihn auch virulent oder schädlich macht. Der zweite war der R-Stamm, eine Version des Bakteriums, bei der die Schutzkapsel fehlte, was den Kolonien ein raues Aussehen verlieh und sie nicht virulent machte.
Zuerst nahm Griffith einige der Bakterien des S-Stammes und erhitzte sie, wodurch eine hitzeabgetötete Version des S-Stammes hergestellt wurde. Dann sammelte er einige Mäuse ein und teilte sie in vier Gruppen ein. Er injizierte der ersten Gruppe den virulenten S-Stamm und der zweiten den nicht-virulenten R-Stamm. Er verabreichte der dritten Gruppe den hitzegetöteten S-Stamm und schließlich den hitzeabgetöteten S-Stamm und den R-Stamm zusammen und injizierte diese Mischung in die vierte Gruppe. Wie erwartet starben die Mäuse der ersten Gruppe, und die Mäuse der zweiten und dritten Gruppe überlebten. Doch zu Griffiths Überraschung starben auch die Mäuse der letzten Gruppe.
Als er 1928 seine Studie veröffentlichte, nannte er diesen mysteriösen Prozess Transformation, da er über das Vorhandensein eines zugrundeliegenden Transformationsprinzips spekulierte, das es dem zuvor nicht virulenten Stamm ermöglichte, tödlich zu werden. Später, im Jahr 1943, berichteten Avert, MacLeod und McCarty, dass es sich bei diesem transformierenden Prinzip wahrscheinlich um Desoxyribonukleinsäure oder DNA handelte, von der wir heute wissen, dass sie das Vererbungsmaterial ist. Was in Griffiths Experiment im Wesentlichen geschah, war, dass, als die Bakterien kombiniert wurden, etwas DNA aus dem hitzegetöteten S-Stamm in die R-Stammzellen austrat, wodurch diese nicht-virulenten Bakterien umgewandelt und die Informationen weitergegeben wurden, um die Schutzkapsel herzustellen, wodurch der R-Stamm in einen virulenten Stamm verwandelt wurde, der nun in der Lage war, die Tiere der vierten Gruppe zu töten.
Heute haben Wissenschaftler eine viel einfachere Methode entwickelt, um die bakterielle Transformation zu untersuchen, indem sie die Bakterien E. coli und kleine, kreisförmige DNA-Schleifen, sogenannte Plasmide, verwenden. Normalerweise enthält das Plasmid, das in Transformationsexperimenten verwendet wird, ein Gen für eine spezielle Funktion, wie z. B. Antibiotikaresistenz. E. coli sind ein hervorragendes Objekt für die Transformation, da sie eine Eigenschaft namens Kompetenz aufweisen können, die Fähigkeit, DNA aus der Umwelt aufzunehmen. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass unter bestimmten Umweltbedingungen, wie einer Chemikalie oder einem Strom- oder Hitzeschock, die Zellwand der E. coli vorübergehend durchlässig werden und die Aufnahme von DNA aus der Umwelt ermöglichen kann. Sobald sich das Plasmid im Inneren von E. coli befindet, kann es entweder im Zytoplasma seiner neuen Wirtszelle hängen und über Generationen hinweg zusammen mit dem Genom repliziert und exprimiert werden, oder es kann sich vollständig in das Genom des Wirts integrieren. Wenn die Bakterien das Plasmid an irgendeiner Stelle verlieren, verliert die Zelle auch ihre Antibiotikaresistenz, und so züchten die Wissenschaftler die Bakterien in einem Medium, das das Antibiotikum enthält, um sicherzustellen, dass die einzigen Überlebenden diejenigen sind, die das gewünschte Plasmid enthalten.
In diesem Labor lernen Sie, wie Sie E. coli-Zellen mit einem Plasmid transformieren, das ein Antibiotikaresistenzgen enthält, während Sie sterile mikrobiologische Techniken anwenden.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts arbeitete ein britischer Bakteriologe namens Frederick Griffith mit dem Lungenentzündung verursachenden Bakterium Streptococcus pneumoniae. Er führte ein einfaches Experiment mit zwei verschiedenen Stämmen durch. Ein Stamm ist als S-Stamm bekannt, weil er durch eine Schutzkapsel geschützt ist, die die von ihm gebildeten Kolonien oder Klumpen glatt erscheinen lässt und ihn auch virulent oder schädlich macht. Der zweite war der R-Stamm, eine Version des Bakteriums, bei der die Schutzkapsel fehlte, was den Kolonien ein raues Aussehen verlieh und sie nicht virulent machte.
Zuerst nahm Griffith einige der Bakterien des S-Stammes und erhitzte sie, wodurch eine hitzeabgetötete Version des S-Stammes hergestellt wurde. Dann sammelte er einige Mäuse ein und teilte sie in vier Gruppen ein. Er injizierte der ersten Gruppe den virulenten S-Stamm und der zweiten den nicht-virulenten R-Stamm. Er verabreichte der dritten Gruppe den hitzegetöteten S-Stamm und schließlich den hitzeabgetöteten S-Stamm und den R-Stamm zusammen und injizierte diese Mischung in die vierte Gruppe. Wie erwartet starben die Mäuse der ersten Gruppe, und die Mäuse der zweiten und dritten Gruppe überlebten. Doch zu Griffiths Überraschung starben auch die Mäuse der letzten Gruppe.
Als er 1928 seine Studie veröffentlichte, nannte er diesen mysteriösen Prozess Transformation, da er über das Vorhandensein eines zugrundeliegenden Transformationsprinzips spekulierte, das es dem zuvor nicht virulenten Stamm ermöglichte, tödlich zu werden. Später, im Jahr 1943, berichteten Avert, MacLeod und McCarty, dass es sich bei diesem transformierenden Prinzip wahrscheinlich um Desoxyribonukleinsäure oder DNA handelte, von der wir heute wissen, dass sie das Vererbungsmaterial ist. Was in Griffiths Experiment im Wesentlichen geschah, war, dass, als die Bakterien kombiniert wurden, etwas DNA aus dem hitzegetöteten S-Stamm in die R-Stammzellen austrat, wodurch diese nicht-virulenten Bakterien umgewandelt und die Informationen weitergegeben wurden, um die Schutzkapsel herzustellen, wodurch der R-Stamm in einen virulenten Stamm verwandelt wurde, der nun in der Lage war, die Tiere der vierten Gruppe zu töten.
Heute haben Wissenschaftler eine viel einfachere Methode entwickelt, um die bakterielle Transformation zu untersuchen, indem sie die Bakterien E. coli und kleine, kreisförmige DNA-Schleifen, sogenannte Plasmide, verwenden. Normalerweise enthält das Plasmid, das in Transformationsexperimenten verwendet wird, ein Gen für eine spezielle Funktion, wie z. B. Antibiotikaresistenz. E. coli sind ein hervorragendes Objekt für die Transformation, da sie eine Eigenschaft namens Kompetenz aufweisen können, die Fähigkeit, DNA aus der Umwelt aufzunehmen. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass unter bestimmten Umweltbedingungen, wie einer Chemikalie oder einem Strom- oder Hitzeschock, die Zellwand der E. coli vorübergehend durchlässig werden und die Aufnahme von DNA aus der Umwelt ermöglichen kann. Sobald sich das Plasmid im Inneren von E. coli befindet, kann es entweder im Zytoplasma seiner neuen Wirtszelle hängen und über Generationen hinweg zusammen mit dem Genom repliziert und exprimiert werden, oder es kann sich vollständig in das Genom des Wirts integrieren. Wenn die Bakterien das Plasmid an irgendeiner Stelle verlieren, verliert die Zelle auch ihre Antibiotikaresistenz, und so züchten die Wissenschaftler die Bakterien in einem Medium, das das Antibiotikum enthält, um sicherzustellen, dass die einzigen Überlebenden diejenigen sind, die das gewünschte Plasmid enthalten.
In diesem Labor lernen Sie, wie Sie E. coli-Zellen mit einem Plasmid transformieren, das ein Antibiotikaresistenzgen enthält, während Sie sterile mikrobiologische Techniken anwenden.
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Q1: What was Frederick Griffith's transformation experiment and why was it significant?
Griffith studied two Streptococcus pneumoniae strains: the virulent S strain with a protective capsule and the non-virulent R strain without it. When he combined heat-killed S strain with live R strain and injected mice, they died unexpectedly. This discovery of bacterial transformation in 1928 revealed that genetic material could transfer between bacteria, fundamentally changing our understanding of heredity and laying the foundation for modern genetic engineering.
Q2: How did scientists identify DNA as the transforming principle in Griffith's experiment?
In 1943, Avery, MacLeod, and McCarty demonstrated that the transforming principle was desoxyribonucleic acid, or DNA, the heredity material. They showed that DNA leaked from heat-killed S strain bacteria into R strain cells, carrying genetic information that encoded the protective capsule. This discovery proved DNA was responsible for passing hereditary traits between bacterial cells.
Q3: What are plasmids and why are they useful for bacterial transformation in the laboratory?
Plasmids are small, circular loops of double-stranded DNA found in bacterial cytoplasm that replicate independently from chromosomal DNA. They often carry genes for beneficial traits like antibiotic resistance. Scientists use plasmids as vectors to introduce foreign DNA into bacteria like E. coli because bacteria can easily take in exogenous genetic material and rapidly amplify it, making plasmids ideal tools for genetic engineering research.
Q4: What is bacterial competence and how does it enable DNA uptake?
Competence is the ability of bacteria like E. coli to take up DNA from their environment. Under specific conditions—such as chemical treatment with calcium chloride, electrical shock, or heat shock—the bacterial cell wall becomes temporarily permeable. This allows plasmids and other DNA molecules to cross the membrane and enter the cell, where they can be replicated and expressed alongside the bacterial genome.
Q5: Why do scientists grow transformed bacteria on antibiotic-containing media?
Scientists use antibiotic-containing media as a selection method to identify successfully transformed cells. Plasmids typically carry antibiotic resistance genes, so only bacteria that have taken up the plasmid survive on these plates. Non-transformed bacteria lack the resistance gene and die, ensuring that visible colonies contain the plasmid of interest and have been successfully transformed.
Q6: What happens to a transformed bacterium if it loses its plasmid?
If a transformed bacterium loses its plasmid, it also loses the genes carried on that plasmid, including antibiotic resistance. The cell reverts to its original phenotype and can no longer survive on antibiotic-containing media. This is why continuous selection on antibiotic plates is necessary to maintain populations of successfully transformed bacteria carrying the plasmid of interest.
Q7: How does bacterial transformation using plasmids differ from Griffith's original experiment?
Griffith's experiment involved natural DNA transfer between bacterial strains, while modern bacterial transformation using plasmids is a controlled laboratory process. Scientists artificially introduce recombinant plasmids containing specific genes into competent E. coli cells using heat shock or chemical treatment. This allows precise genetic manipulation and is the foundation for bacterial transformation using plasmids procedure in contemporary genetic engineering and biotechnology research.