Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien

Genetische Forschung mit Bakterien – Biologie

Der Einsatz von Bakterien in der Genforschung ist sehr beliebt. Mit Bakterien kann man zum Beispiel gezielt Proteine herstellen, die für Medikamente, vegetarische Käseherstellung oder für die Reinigung der Umwelt benutzt werden.
Das wohl bekannteste Bakterium in der Genforschung ist das Darmbakterium Escherichia coli (E. coli). In diesem Text erfährst du, warum sich Bakterien so gut für die genetische Forschung eignen und wie die Anwendung der genetischen Forschung mithilfe von Bakterien aussieht.

Genetische Forschung – Definition

Die genetische Forschung beschäftigt sich mit den Genen, also dem Erbgut von Lebewesen, und deren Vererbung. Das Erbgut trägt die Informationen für alle Eiweiße, die in Organismen hergestellt werden, und ist damit so etwas wie der Bauplan des Lebens.
Die Genetik ist ein großes Forschungsgebiet und umfasst viele unterschiedliche Bereiche.

Warum eignen sich Bakterien so gut für die genetische Forschung?

Bakterien zählen zu den Prokaryoten und gelten als Modellorganismen in der genetischen Forschung. Die Erbinformation (DNA) liegt bei ihnen also frei im Zytoplasma als ringförmiges Chromosom vor. Somit erfolgt dort auch die Transkription der Gene und die anschließende Proteinbiosynthese.
Bakterien lassen sich leicht handhaben, da sich große Mengen günstig und auf kleinem Raum in geeigneten Nährmedien züchten lassen. Durch die schnelle Verdopplungsrate von Bakterien können in kurzer Zeit viele identische DNA-Moleküle entstehen.

Bakterien vermehren sich also in kurzer Zeit sehr schnell, was in der Biologie als kurze Generationszeit bezeichnet wird. Beispielsweise verdoppelt sich das Bakterium E. coli bei guten Bedingungen etwa alle 20 Minuten. Darüber hinaus war das Genom von E. coli eines der ersten, das komplett entschlüsselt wurde. Das erleichtert die genetische Forschung natürlich deutlich. Auch lassen Bakterien sich genetisch leicht manipulieren, also verändern.

Genetische Forschung – Anwendung

Entscheidend für die Anwendung von Bakterien in der Gentechnik war die Entdeckung, dass Bakterien neben dem Bakterienchromosom Plasmide tragen.
Als Bakterienchromosom bezeichnet man große, meist zirkuläre DNA-Moleküle, die frei im Zytoplasma liegen und alle lebensnotwendigen Gene des Bakteriums enthalten.
Die Plasmide sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die ebenfalls frei im Zytoplasma liegen, jedoch in der Regel keine lebensnotwendigen Gene beinhalten. Sie enthalten Zusatzinformationen wie beispielsweise Gene für Antibiotikaresistenzen. Plasmide können sich unabhängig verdoppeln. Dies wird auch als autonome Replikation bezeichnet. Darüber hinaus ist es Bakterien möglich, Plasmide untereinander auszutauschen (Konjugation).

In der Genforschung werden diese bakteriellen Plasmide als sogenannte Vektoren verwendet und fungieren als eine Art Genfähre. Mit ihrer Hilfe kann also DNA in Form einzelner Gene von einem Organismus in einen anderen übertragen werden. Zur Manipulation der Plasmid-DNA wird eine molekulare Schere eingesetzt.

Wie läuft der Einsatz einer Genschere ab?

Bei molekularen Scheren handelt es sich um Restriktionsenzyme, die Bakterien eigentlich zur Abwehr von Viren dienen, indem sie die Virus-DNA zerschneiden. Restriktionsenzyme sind Endonukleasen. Das bedeutet, sie erkennen bestimmte Basenabfolgen (Stellen auf dem DNA-Strang) und können doppelsträngige DNA schneiden, wodurch der Plasmidring geöffnet wird. Wenn man mit einem Restriktionsenzym ein Plasmid schneidet, so erhält man an der Schnittstelle oft überstehende Enden (sticky ends). Einer der beiden Doppelstränge steht also etwas über.

Schneidet man ein anderes ausgewähltes DNA-Stück mit dem gleichen Restriktionsenzym, kann dieses in das Plasmid eingebaut werden. Danach wird das Enzym Ligase eingesetzt, um DNA-Stück und Plasmid miteinander zu verbinden. Ligasen sind also eine Art „DNA-Klebstoff“. Auf diese Weise kann man fast jedes beliebige Gen in ein Plasmid einbauen, wodurch man sogenannte rekombinante DNA erhält.

Die rekombinante Plasmid-DNA kann anschließend zur Vermehrung in Bakterien eingeschleust werden, was als Transfer des Plasmids oder auch Transformation bezeichnet wird. Damit die Bakterien den Plasmidring aufnehmen, müssen diese beispielsweise durch elektrische Impulse (Elektroporation) oder mittels chemischer Substanzen stimuliert werden, wodurch die Plasmamembran durchlässig (permeabel) wird.
Wenn der Plasmidtransfer erfolgreich war und das Bakterium die fremde DNA aufgenommen hat, spricht man auch von einem transgenen Bakterium. Es wurde also ein Gen einer anderen Spezies in das Bakterium übertragen. Bei dem Bakterium handelt es sich nun um einen genetisch veränderten Organismus, wofür allgemein die Abkürzung GVO verwendet wird. Codiert der eingeschleuste DNA-Abschnitt für ein Protein, kann dieses nun von dem Bakterium produziert werden.

Wenn du wissen möchtest, wie genau der Einsatz einer Genschere und das Klonieren funktioniert, kannst du dir auch das Video zum Thema Klonierung anschauen.

Anwendung genmanipulierter Bakterien – Beispiele

Der Einsatz von genmanipulierten Bakterien ist sehr vielfältig und findet sich in vielen Forschungs- und Lebensbereichen wieder. In der Grundlagenforschung werden sie verwendet, um neue Proteine und deren Funktionen näher zu untersuchen und zu verstehen.
Auch in der Medizin werden Bakterien für die Medikamentenherstellung benutzt. Heute werden durch transgene Bakterien beispielsweise Wachstumshormone hergestellt, die Kindern mit Wachstumsstörungen verabreicht werden. Auch das Hormon Insulin wird durch transgene Bakterien produziert.
Darüber hinaus werden genetisch veränderte Bakterien auch in der Industrie verwendet. Beispielsweise lassen sich mit Bakterien Enzyme produzieren, die in Waschmitteln eingesetzt werden. Die Enzyme im Waschmittel erleichtern beispielsweise den Abbau von Fetten, Eiweißen und Stärke bei niedrigeren Temperaturen. Dadurch muss die Wäsche nicht mehr allzu heiß gewaschen werden.
In der Lebensmittelindustrie werden Bakterien verwendet, um tierisches Lab für die Herstellung von Käse zu gewinnen. Dies ist eine Alternative zur Gewinnung des Labs aus Kalbsmägen.
Ein weiterer Anwendungsbereich transgener Bakterien ist der Einsatz bei Umweltsanierungen. Beispielsweise werden die Bakterien so manipuliert, dass sie Mineralöl als Nahrungsquelle verwerten. So können sie dabei helfen, nach einem Schiffsunglück umweltbelastende Substanzen wie Ölteppiche auf dem Meer abzubauen.

Die Anwendungsmöglichkeiten für genmanipulierte Bakterien sind in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengefasst.

Dieses Video

In diesem Video lernst du die genetische Forschung mit Bakterien kennen. Du lernst, warum sich Bakterien für die genetische Forschung sehr gut eignen und wie bakterielle Plasmide als Vektoren eingesetzt werden. Bakterien spielen sowohl eine wichtige Rolle in der Grundlagenforschung als auch in der Gentechnik, zum Beispiel in der pharmazeutischen Industrie, in der weißen Biotechnologie, in der ökologischen Biotechnologie und in der Medizin.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!