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13.13: Bakterielle Transformation
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Bacterial Transformation
 
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13.13: Bacterial Transformation

13.13: Bakterielle Transformation

In 1928, bacteriologist Frederick Griffith worked on a vaccine for pneumonia, which is caused by Streptococcus pneumoniae bacteria. Griffith studied two pneumonia strains in mice: one pathogenic and one non-pathogenic. Only the pathogenic strain killed host mice.

Griffith made an unexpected discovery when he killed the pathogenic strain and mixed its remains with the live, non-pathogenic strain. Not only did the mixture kill host mice, but it also contained living pathogenic bacteria that produced pathogenic offspring. Griffith concluded that the non-pathogenic strain received something from the dead pathogenic strain that transformed it into the pathogenic strain; he called this the transforming principle.

At the time of Griffith’s studies, there was heated debate surrounding the identity of the genetic material. Much early evidence implicated proteins as the hereditary molecules. Griffith’s experiments on bacterial transformation provided some of the earliest data demonstrating that DNA is the genetic material.

Bacteria incorporate external DNA through transformation. Transformation occurs naturally but is also induced in laboratories—often to clone DNA. To clone a specific gene, scientists can insert the gene into a plasmid, a circular DNA molecule that can independently replicate. The plasmid often contains an antibiotic resistance gene. Bacteria take up the plasmid through transformation. Scientists then expose the bacteria to antibiotics. Surviving bacterial colonies should contain the plasmid because the plasmid contains an antibiotic resistance gene. DNA analysis can confirm the gene’s presence in the plasmid. Bacterial colonies with the desired gene propagate and can be used to make more plasmids or proteins.

Why would bacteria take in foreign DNA? Unlike sexually reproducing organisms, bacteria essentially clone themselves. This reproductive method, called binary fission, offers few opportunities for genetic variation. Although mutations introduce some diversity, many mutations are harmful. Sharing genes through transformation, as well as conjugation and transduction, allows prokaryotes to evolve.

1928 arbeitete der Bakteriologe Frederick Griffith an einem Impfstoff gegen die Lungenentzündung. Sie wird durch das Bakterium Streptococcus pneumoniae verursacht. Griffith untersuchte zwei Pneumonie-Stämme bei 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 den pathogenen Stamm abtötete und seine Überreste mit dem lebenden, nicht-pathogenen Stamm vermischte. Die 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 den pathogenen Stamm transformierte. Er nannte dies das Prinzip der Transformation.

Zur Zeit der Untersuchungen von Griffith gab es eine hitzige Debatte über die Identität des genetischen Materials. Viele frühe Hinweise deuteten auf Proteine als die Erbmoleküle hin. Griffiths Experimente zur bakteriellen Transformation lieferten einige der frühesten Daten, die zeigen, dass die DNA das genetische Material ist.

Die Bakterien nehmen durch Transformation externe DNA auf. Die Transformation erfolgt auf natürliche Weise, wird aber auch in Labors oft zum Klonen von DNA veranlasst. Um ein bestimmtes Gen zu klonen, können Wissenschaftler das Gen in ein Plasmid einsetzen. Plasmide sind zirkuläre DNA-Moleküle, die sich unabhängig voneinander replizieren können. Das Plasmid enthält oft ein Antibiotikaresistenzgen. Bakterien nehmen das Plasmid durch Transformation auf. Die Wissenschaftler setzen die Bakterien dann Antibiotika aus. Überlebende Bakterienkolonien müssen das Plasmid enthalten, da das Plasmid ein Antibiotikaresistenzgen enthält. Eine DNA-Analyse kann das Vorhandensein der Gene im Plasmid bestätigen. Folglich können sich die Bakterienkolonien mit dem gewünschten Gen vermehren und zur Herstellung weiterer Plasmide oder Proteine verwendet werden.

Warum bauen die Bakterien fremde DNA in sich selbst ein? Im Gegensatz zu sich sexuell fortpflanzenden Organismen klonen sich Bakterien im Prinzip selbst. Diese Fortpflanzungsmethode, die als binäre Spaltung bezeichnet wird, bietet nur wenige Möglichkeiten für genetische Variation. Obwohl Mutationen eine gewisse Vielfalt einführen, sind viele Mutationen schädlich. Die gemeinsame Nutzung von Genen durch Transformation sowie Konjugation und Transduktion ermöglicht es den Prokaryonten, sich weiterzuentwickeln.


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