Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

15.2: Antibiotische selectie
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Antibiotic Selection
 
TRANSCRIPT

15.2: Antibiotic Selection

15.2: Antibiotische selectie

Overview

Researchers use antibiotic resistance genes to identify bacteria that possess a plasmid containing their gene of interest. Antibiotic resistance naturally occurs when a spontaneous DNA mutation creates changes in bacterial genes that eliminate antibiotic activity. Bacteria can share these new resistance genes with their offspring and other bacteria. The overuse and misuse of antibiotics have created a public health crisis, as resistant and multi-resistant bacteria continue to develop.

Antibiotic Resistance is an Essential Tool in Genetic Engineering

Antibiotics, such as penicillin, are drugs that kill or stop bacterial growth. Bacteria that naturally or artificially acquired antibiotic resistance genes do not respond to antibiotics. Scientists exploit this by designing plasmids—small, self-replicating pieces of DNA—that carry both an antibiotic resistance gene and a gene of interest. Antibiotic resistance is an integral part of DNA cloning that allows a researcher to identify cells that absorbed a DNA of interest.

The researcher’s DNA of interest is introduced into bacterial cells using a process called transformation. Bacterial transformation involves temporarily creating small holes in the bacterial cell wall to permit the uptake of external DNA such as a plasmid. Only some bacterial cells absorb new DNA. Since the plasmid includes both the DNA of interest and a gene that confers resistance to a specific antibiotic, applying the antibiotic to the bacterial cells (i.e., antibiotic selection) can help determine which cells were genetically modified.

The researcher spreads the bacterial cells onto a culture plate containing a chosen antibiotic. Only bacteria containing the antibiotic resistance gene survive and grow on the plate. After a few days, the researcher can select a bacterial colony to culture for further experiments—such as gene expression studies. Following antibiotic selection, the researcher will further test the bacteria using other methods (e.g., PCR) to confirm that DNA of interest is correct. Errors often occur such as the plasmid not containing the gene of interest at all.

Bacteria Can Acquire Antibiotic Resistance Naturally

Bacteria can acquire antibiotic resistance through spontaneous DNA mutations that alter the proteins produced by the cell. Resistant bacteria may produce proteins that cause the antibiotic to either be degraded, pumped out of the cell, or prevented from interacting with its target. For example, the antibiotic vancomycin inhibits synthesis of the bacterial cell wall. Some bacteria have developed resistance to this antibiotic by changing the types of protein subunits—amino acids—used in the assembly of their cell wall to ones that are unaffected by vancomycin.

Once antibiotic resistance genes emerge, bacteria can pass them on to their offspring. Bacteria can also acquire antibiotic resistance genes from other bacteria of the same or different species through a process called horizontal gene transfer (HGT). There are three mechanisms of HGT: transformation, conjugation, and transduction. Antibiotic resistance genes are often found in plasmids or transposons—pieces of DNA that are easily transferred between bacteria—that are exchanged during HGT. As a result, new types of antibiotic resistance can rapidly spread to multiple types of infectious bacteria.

Clinical Overuse and Misuse of Antibiotics Produces “Superbugs”

Antibiotics are a critical treatment for bacterial infections. However, their use can cause bacteria to become resistant and render the antibiotic ineffective, leading to untreatable and potentially deadly infections. Antibiotic overuse and misuse—for instance, using antibiotics to treat viral (rather than bacterial) infections or to increase livestock growth—is problematic because it promotes resistance.

Antibiotics cause resistance to evolve because they kill susceptible bacteria and leave only the resistant individuals. The surviving bacteria divide rapidly, producing offspring with the same antibiotic resistance. When antibiotics are overused, this selection pressure causes the number of resistant bacteria in the population to rise quickly. This is a major public health concern because it increases antibiotic resistance and creates “superbugs” that are resistant to multiple antibiotics. Continued overuse and misuse of antibiotics may eventually exhaust treatment options for bacterial infections.

Overzicht

Onderzoekers gebruiken antibioticaresistentie-genen om bacteriën te identificeren die een plasmide bezitten dat hun gen van belang bevat. Antibioticaresistentie treedt van nature op wanneer een spontane DNA-mutatie veranderingen in bacteriële genen veroorzaakt die de antibiotische activiteit elimineren. Bacteriën kunnen deze nieuwe resistentiegenen delen met hun nakomelingen en andere bacteriën. Het overmatig gebruik en misbruik van antibiotica heeft een volksgezondheidscrisis veroorzaakt, aangezien resistente en multiresistente bacteriën zich blijven ontwikkelen.

Antibioticaresistentie is een essentieel hulpmiddel bij genetische manipulatie

Antibiotica, zoals penicilline, zijn geneesmiddelen die de groei van bacteriën doden of stoppen. Bacteriën die van nature of kunstmatig antibiotica-resistentiegenen hebben verworven, reageren niet op antibiotica. Wetenschappers maken hiervan gebruik door plasmiden te ontwerpen - kleine, zelfreplicerende stukjes DNA - die zowel een antibioticumresistentiegen als een gen van belang dragen. Antibioticaresistentie is een integraal onderdeel van DNA claan de hand waarvan een onderzoeker cellen kan identificeren die een interessant DNA hebben geabsorbeerd.

Het interessante DNA van de onderzoeker wordt in bacteriële cellen geïntroduceerd met behulp van een proces dat transformatie wordt genoemd. Bacteriële transformatie omvat het tijdelijk creëren van kleine gaatjes in de bacteriële celwand om opname van extern DNA, zoals een plasmide, mogelijk te maken. Slechts enkele bacteriecellen nemen nieuw DNA op. Omdat het plasmide zowel het DNA van belang als een gen bevat dat resistentie tegen een specifiek antibioticum verleent, kan het toepassen van het antibioticum op de bacteriële cellen (dwz selectie van antibiotica) helpen bepalen welke cellen genetisch gemodificeerd zijn.

De onderzoeker verspreidt de bacteriecellen op een kweekplaat met een gekozen antibioticum. Alleen bacteriën die het antibioticumresistentiegen bevatten, overleven en groeien op de plaat. Na een paar dagen kan de onderzoeker een bacteriekolonie selecteren om te kweken voor verdere experimenten, zoals genexpressieonderzoeken. Na selectie van antibiotica, zal de onderzoeker de bacteriën verder testen met behulp van andere methoden (bijv. PCR) om te bevestigen dat het betreffende DNA correct is. Er treden vaak fouten op, zoals het plasmide dat het gen van belang helemaal niet bevat.

Bacteriën kunnen van nature antibioticaresistentie verkrijgen

Bacteriën kunnen antibioticaresistentie krijgen door spontane DNA-mutaties die de door de cel geproduceerde eiwitten veranderen. Resistente bacteriën kunnen eiwitten produceren die ervoor zorgen dat het antibioticum wordt afgebroken, uit de cel wordt gepompt of geen interactie heeft met het doelwit. Zo remt het antibioticum vancomycine de synthese van de bacteriële celwand. Sommige bacteriën hebben resistentie tegen dit antibioticum ontwikkeld door de soorten eiwitsubeenheden - aminozuren - die worden gebruikt bij de montage van hun celwand, te veranderen in soorten die niet worden beïnvloed door vancomycine.

Zodra antibiotica-resistentiegenen tevoorschijn komen, kunnen bacteriën deze doorgeven aan hun nakomelingen. Bacteriën kunnen ook antibioticaresistentie krijgennen van andere bacteriën van dezelfde of een andere soort via een proces dat horizontale genoverdracht (HGT) wordt genoemd. Er zijn drie mechanismen van HGT: transformatie, conjugatie en transductie. Antibioticumresistentiegenen worden vaak aangetroffen in plasmiden of transposons - stukjes DNA die gemakkelijk tussen bacteriën kunnen worden overgedragen - die tijdens HGT worden uitgewisseld. Als gevolg hiervan kunnen nieuwe soorten antibioticaresistentie zich snel verspreiden naar meerdere soorten infectieuze bacteriën.

Klinisch overmatig gebruik en misbruik van antibiotica produceert "Superbugs"

Antibiotica zijn een cruciale behandeling voor bacteriële infecties. Het gebruik ervan kan er echter voor zorgen dat bacteriën resistent worden en het antibioticum ondoeltreffend maken, wat leidt tot onbehandelbare en mogelijk dodelijke infecties. Overmatig gebruik en misbruik van antibiotica - bijvoorbeeld het gebruik van antibiotica om virale (in plaats van bacteriële) infecties te behandelen of om de groei van de veestapel te verhogen - is problematisch omdat het de resistentie bevordert.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter