Bakterielle Transformation

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.