13.13: Bakterielle Transformation

1928 arbeitete der Bakteriologe Frederick Griffith an einem Impfstoff für die Lungenentzündung. Sie wird durch das Bakterium Streptococcus pneumoniae verursacht. Griffith untersuchte zwei Pneumokokken-Stämme in Mäusen: einen pathogenen und einen nicht-pathogenen. Dabei erkannte er, dass nur der pathogene Stamm die Wirtsmäuse tötete.

Griffith machte eine unerwartete Entdeckung, als er Überreste des abgetöteten pathogenen Stamms mit dem lebenden, nicht-pathogenen Stamm vermischte. Diese Mischung tötete nicht nur Wirtsmäuse, sondern enthielt auch lebende pathogene Bakterien, welche pathogene Nachkommen produzierten. Griffith schloss daraus, dass der nicht-pathogene Stamm etwas von dem toten pathogenen Stamm erhielt, das ihn in einen pathogenen Stamm transformierte. Er nannte diesen Vorgang Transformation.

Zur Zeit der Untersuchungen von Griffith fand eine hitzige Debatte zur Identität von genetischem Material statt. Viele frühzeitige Hinweise deuteten auf Proteine als Erbmoleküle hin. Griffiths Experimente zur bakteriellen Transformation lieferten einige der frühesten Daten, die zeigen, dass die DNA das genetische Material ist.

Die Bakterien nehmen externe DNA durch Transformation auf. Die Transformation erfolgt auf natürliche Weise, wird aber auch in Labors oft zur Klonierung von DNA genutzt. Um ein bestimmtes Gen zu klonen, können Wissenschaftler das Gen in ein Plasmid einfügen. Plasmide sind zirkuläre DNA-Moleküle, die sich unabhängig voneinander replizieren können. Das Plasmid enthält oft ein Gen für eine Antibiotikaresistenz. Bakterien nehmen das Plasmid durch Transformation auf. Die Wissenschaftler setzen die Bakterien dann einem Antibiotikum aus und überlebende Bakterienkolonien müssen das Plasmid enthalten, da das Plasmid ein Gen für die Antibiotikaresistenz enthält. Eine DNA-Analyse kann das Vorhandensein der Gene im Plasmid bestätigen. Die Bakterienkolonien mit dem gewünschten Gen kann man vermehren und zur Herstellung weiterer Plasmide oder Proteine verwenden.

Warum nehmen Bakterien fremde DNA auf? Im Gegensatz zu sich sexuell fortpflanzenden Organismen klonen sich Bakterien selbst. Diese Fortpflanzungsmethode, die als Spaltung bezeichnet wird, bietet nur wenige Möglichkeiten für genetische Variationen. Obwohl Mutationen eine gewisse Vielfalt einführen, sind viele Mutationen schädlich. Die geteilten Gene durch die Transformation sowie Konjugation und Transduktion ermöglichen es den Prokaryoten, sich weiterzuentwickeln.

Die bakterielle Transformation ist ein Prozess, durch den die Bakterien exogene DNA aufnehmen. Oder auch DNA, die aus Quellen außerhalb der Zelle stammt. Einige Bakterien können sich auf natürliche Weise verändern.

Dies kann auch im Laborbereich als Teil des Prozesses der DNA-Klonierung induziert werden. Dies ist ein wichtiges Sprungbrett zum Studium der Sequenzen und Funktionen von Genen und der Proteine, die sie kodieren. Damit die Transformation stattfindet, müssen die Bakterien kompetent sein.

Das bedeutet, dass sie entweder die molekulare Maschinerie zum Transport von DNA-Fragmenten über ihre Zellwand und Zellmembran besitzen, oder chemisch behandelt wurden, um ihre Zellwände für die DNA durchlässig zu machen. Im Labor wird die zu untersuchende DNA-Sequenz in ein Plasmid, ein kreisförmiges Stück DNA, eingebracht. Das Plasmid enthält typischerweise auch eine Sequenz wie z.

B. ein Antibiotikaresistenzgen, welches es Wissenschaftlern erlaubt, nach Transformation der Bakterien zu suchen, die das Plasmid aufgenommen haben. Viele Kopien des Plasmids werden zu kompetenten Bakterien in einem flüssigen Medium hinzugefügt.

Ein Hitzeschock zwingt die Bakterien, die DNA aufzunehmen. Die Bakterien werden dann auf Selektionsmedien gezüchtet, die aus Komponenten hergestellt sind, die das Wachstum einiger Bakterien fördern, und das Wachstum anderer Bakterien hemmen. Nur die Bakterien, die Kopien des Plasmids auf dem Selektionsmedium gemacht haben, überleben, und vermehren sich zu Kolonien, sichtbaren Bereichen mit Bakterienwachstum, das von einer einzelnen Zelle abstammt.