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15.2: Antibiotische Selektion
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Antibiotische Selektion
 
PROTOKOLLE

15.2: Antibiotische Selektion

Überblick

Forscher verwenden Antibiotikaresistenz-Gene, um Bakterien zu identifizieren, die ein Plasmid mit dem zu untersuchenden Gen enthalten. Die Antibiotikaresistenz kommt auch natürlich vor, wenn eine spontane DNA-Mutation Veränderungen in Bakteriengenen, welche die antibiotische Wirkung ausschalten, hervorruft. Bakterien können diese neuen Resistenzgene mit ihren Nachkommen und anderen Bakterien teilen. Der übermäßige Einsatz und Missbrauch von Antibiotika hat zu einer Krise in der öffentlichen Gesundheit geführt, da sich vermehrt resistente und multiresistente Bakterien entwickeln.

Die Antibiotikaresistenz ist ein notwendiges Werkzeug in der Gentechnik

Antibiotika, wie z.B. Penicillin, sind Medikamente, die Bakterien töten oder ihr Wachstum stoppen können. Bakterien, die eine natürliche oder künstlich erzeugte Antibiotikaresistenz haben, reagieren nicht auf Antibiotika. Wissenschaftler nutzen dies, um Plasmide zu entwerfen, die sowohl ein Antibiotikum-Resistenzgen als auch das von ihnen zu untersuchende Gen enthält. Plasmide sind kleine, sich selbst replizierende DNA-Stücke. Die Antibiotikaresistenz ist ein integraler Bestandteil der Klonierung, die es einem Forscher ermöglicht, Zellen zu identifizieren, die das zu untersuchende Gen aufgenommen haben.

Das gewünschte DNA-Stück wird dann in bakterielle Zellen in einem Prozess, der Transformation, eingeführt. Bei der bakteriellen Transformation werden vorübergehend kleine Löcher in der bakteriellen Zellwand erzeugt, die die Aufnahme von externer DNA, wie z.B. ein Plasmid, ermöglichen. Nur einige Bakterienzellen nehmen neue DNA auf. Da das Plasmid, dass gewünschte DNA-Stück sowie ein Gen, das die Resistenz gegen ein spezifisches Antibiotikum enthält, kann ein Antibiotikum nun angewendet werden um festzustellen welche Bakterienzellen genetisch verändert wurden. Dieser Prozess wird auch antibiotische Selektion genannt.

Der Forscher verteilt die Bakterienzellen in einer Petrischale auf einem Nährboden, der das ausgewählte Antibiotikum enthält. Nur Bakterien, die das Antibiotikum-Resistenzgen enthalten, überleben und wachsen. Nach einem Tag kann der Forscher eine Bakterienkolonie auswählen, die er für weitere Experimente, wie Genexpressions-Studien, kultivieren kann. Nach der Selektion mit dem Antibiotikum, testet der Forscher die Bakterien mit zusätzlichen Methoden (z.B. PCR), um zu bestätigen, dass das gewünschte DNA-Stück tatsächlich enthalten ist. Das ist notwendig, da in diesem Prozess häufig Fehler auftreten, wie zum Beispiel, dass das Plasmid das gewünschte Gen gar nicht enthält.

Bakterien können Antibiotikaresistenzen natürlich bekommen

Bakterien können eine Antibiotikaresistenz erwerben durch spontane DNA-Mutationen, die die von der Zelle produzierten Proteine verändern. Widerstandsfähige Bakterien können Proteine produzieren, die dazu führen, dass das Antibiotikum abgebaut wird, aus der Zelle herausgepumpt wird oder sie verhindern die Interaktion mit seinem Zielprotein. So hemmt das Antibiotikum Vancomycin beispielsweise die Synthese der bakteriellen Zellwand. Einige Bakterien haben eine Resistenz gegen dieses Antibiotikum entwickelt, indem sie die Protein-Untereinheiten (Aminosäuren), die beim Aufbau ihrer Zellwand notwendig sind gegen solche ausgetauscht, die nicht von Vancomycin beeinflusst werden.

Sobald Antibiotikum-Resistenzgene entstehen, können Bakterien diese an ihre Nachkommen weitergeben. Bakterien können auch Antibiotikum-Resistenzgene von anderen Bakterien der gleichen oder anderer Spezies durch einen Prozess erwerben, der als horizontaler Gentransfer (HGT) bezeichnet wird. Es gibt drei Mechanismen des HGT: Transformation, Konjugation und Transduktion. Antibiotikum-Resistenzgene finden sich häufig in Plasmiden oder Transposons, das sind DNA-Stücke, die leicht zwischen Bakterien übertragen werden und während des HGTs ausgetauscht werden. Infolgedessen können sich neue Typen von Antibiotikaresistenzen schnell auf mehrere Arten von infektiösen Bakterien übertragen.

Klinische Über- und Fehlanwendung von Antibiotika produziert “Superbakterien”

Antibiotika sind für die Behandlung bakterieller Infektionen von entscheidender Bedeutung. Ihr Einsatz kann jedoch dazu führen, dass Bakterien resistent werden und das Antibiotikum unwirksam wird. Das führt zu nicht-behandelbaren und potenziell tödlichen Infektionen. Die übermäßige Anwendung und der der Missbrauch von Antibiotika ist problematisch, da es zu Resistenzen führt, wie zum Beispiel bei der Verwendung von Antibiotika zur Behandlung von viralen (statt bakteriellen) Infektionen oder zur Wachstumsbeschleunigung bei Nutztieren.

Antibiotika verursachen die Entwicklung von Resistenzen, weil anfällige Bakterien getötet werden und nur widerstandsfähige Individuen überleben. Die überlebenden Bakterien teilen sich schnell und produzieren Nachkommen mit der gleichen Antibiotikaresistenz. Bei übermäßigem Einsatz von Antibiotika führt dieser Selektionsdruck dazu, dass die Zahl der resistenten Bakterien in der Bevölkerung schnell ansteigt. Dies stellt für die öffentliche Gesundheit ein großes Problem dar, da vermehrt Antibiotikaresistenzen auftreten und “Superbakterien” geschaffen werden. Das sind Bakterien, die gegen mehrere Antibiotika resistent sind. Der anhaltende und übermäßige Einsatz sowie der Missbrauch von Antibiotika kann schließlich zu einer Erschöpfung der Behandlungsmöglichkeiten für bakterielle Infektionen führen.


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