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15.2: Antibiotische Selektion
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PROTOKOLLE

15.2: Antibiotische Selektion

Überblick

Forscher verwenden Antibiotikaresistenzgene, um Bakterien zu identifizieren, die ein Plasmid besitzen, welches das für sie interessante Gen enthält. Antibiotikaresistenz tritt natürlich auf, wenn eine spontane DNA-Mutation Veränderungen in den Bakteriengenen hervorruft, welche die antibiotische Wirkung ausschalten. Die Bakterien können diese neuen Resistenzgene mit ihren Nachkommen und anderen Bakterien teilen. Der übermäßige Einsatz und Missbrauch von Antibiotika hat zu einer Krise der öffentlichen Gesundheit geführt, da sich resistente und multiresistente Bakterien ständig weiterentwickelt haben.

Antibiotikaresistenz ist ein wesentliches Werkzeug in der Gentechnik

Antibiotika, wie z.B. Penicillin, sind Medikamente, die Bakterienwachstum abtöten oder stoppen können. Bakterien, die auf natürliche oder durch künstlich erzeugte Antibiotika-Resistenzgene nicht auf Antibiotika ansprechen. Wissenschaftler nutzen dies aus, indem sie Plasmide entwerfen, die sowohl ein Antibiotikaresistenzgen als auch ein Gen von Interesse tragen. Plasmide sind kleine, sich selbst reproduzierende DNA-Stücke. Die Antibiotikaresistenz ist ein integraler Bestandteil der DNA-Klonierung, die es einem Forscher ermöglicht, Zellen zu identifizieren, die eine DNA von Interesse aufgenommen haben.

Die DNA, für die sich die Forscher interessieren, wird in bakterielle Zellen mit einem Prozess eingeführt, der Transformation genannt wird. Bei der bakteriellen Transformation werden vorübergehend kleine Löcher in der bakteriellen Zellwand erzeugt. Sow wird die Aufnahme von externer DNA, wie z.B. einem Plasmid, ermöglicht. Nur einige Bakterienzellen nehmen neue DNA auf. Da das Plasmid sowohl die DNA von Interesse als auch ein Gen enthält, das eine Resistenz gegen ein spezifisches Antibiotikum verleiht, kann die Anwendung des Antibiotikums auf die Bakterienzellen (d.h. die Antibiotika-Selektion) dazu beitragen, festzustellen, welche Zellen genetisch verändert wurden.

Der Forscher verteilt die Bakterienzellen auf einer Kulturschale mit einem ausgewählten Antibiotikum. Nur Bakterien, die das Antibiotikaresistenzgen enthalten, überleben und wachsen auf der Schale. Nach einigen Tagen kann der Forscher eine Bakterienkolonie auswählen, die er für weitere Experimente kultivieren kann. Nutzen kann er diese beispielsweise für wie Genexpressionsstudien. Nach der Auswahl des Antibiotikums testet der Forscher die Bakterien mit anderen Methoden (z.B. PKR) weiter, um zu bestätigen, dass die DNA von Interesse korrekt ist. Häufig treten Fehler auf, z.B. dass das Plasmid das Gen von Interesse gar nicht enthält.

Bakterien können sich auf natürliche Weise Antibiotikaresistenzen aneignen

Bakterien können durch spontane DNA-Mutationen, die die von der Zelle produzierten Proteine verändern, eine Antibiotikaresistenz erwerben. Resistente Bakterien können Proteine produzieren, die dazu führen, dass das Antibiotikum entweder abgebaut, aus der Zelle herausgepumpt oder daran gehindert wird, mit seinem Ziel zu interagieren. So hemmt das Antibiotikum Vancomycin beispielsweise die Synthese der bakteriellen Zellwand. Einige Bakterien haben eine Resistenz gegen dieses Antibiotikum entwickelt, indem sie die Arten von Protein-Untereinheiten (Aminosäuren) die beim Aufbau ihrer Zellwand verwendet werden, modifiziert haben. Sie werden nun nicht mehr vom Vancomycin beeinflusst.

Sobald Antibiotikaresistenzgene auftauchen, können Bakterien diese an ihre Nachkommen weitergeben. Bakterien können auch Antibiotika-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. Antibiotikaresistenzgene finden sich häufig in Plasmiden oder Transposons. Das sind DNA-Stücke, die leicht zwischen Bakterien übertragen werden. Sie werden während der HGT ausgetauscht werden. Infolgedessen können sich neue Arten 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 unbehandelbaren und potenziell tödlichen Infektionen. Antibiotika-Überlastung und-Missbrauch ist problematisch, weil es jene Resistenzen fördert. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung von Antibiotika zur Behandlung von viralen (statt bakteriellen) Infektionen oder zur Beschleunigung von Tierwachstums verursacht.

Antibiotika verursachen eine Entwicklung von Resistenzen, weil sie anfällige Bakterien abtöten und nur widerstandsfähige Individuen zurücklassen. 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 öffentliches Gesundheit ein großes Problem dar. Antibiotikaresistenzen werden erhöht und “Superbakterien” geschaffen, welche sogar gegen verschiedenste Antibiotika resistent sind. Anhaltender, übermäßiger Einsatz und Missbrauch von Antibiotika kann schließlich die Behandlungsmöglichkeiten für bakterielle Infektionen zunichtemachen.


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