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Gentransfer zwischen Bakterien in der Natur

• Was ist eigentlich Gentransfer zwischen Mikroorganismen?

1. Transduktion2. Konjugation 3. Transformation

1. Transduktion

• Die Transduktion beschreibt einen virusvermittelten Genaustausch zwischen Bakterien.

• Zur Infektion heftet sich ein Virus (Bakteriophage genannt) mit seinen krallenähnlichen Strukturen an eine Bakterienzelle und injiziert ihr seine DNA.

Elektronenmikroskopische Aufnahme

• Andocken des Bakteriophagen an das spezifische Bakterium.• Das übertragene Erbgut trägt die Anweisungen zum Bau neuer Phagen.• Neue Viruspartikel können DNA-Abschnitte des Bakterienchromosoms

tragen.• Austritt aus dem infizierten Bakterium und Befall weiterer Zellen.

Historisches Experiment von Hershey und Chase

(1952 in New York)

• Sie konnten mit Hilfe radioaktiv markierter Bakteriophagen zeigen, daß bei diesen Viren, die Bakterien infizieren, die DNA und nicht ein Protein das genetische Material ist.

• Die Proteinhülle blieb dabei außen zurück und schied damit als potentielles genetisches Material aus.

Nachweis:DNA ist das genetisches

Material

Purin oder Pyrimidin

Base

32Phosphat

Nachweis 32P-ATP

Guanin

Adenin

Thymin

Cytosin

(Purine) (Pyrimidine)

Nachweis 35S-Cystein

Beispiel: Rinderinsulin

Transduktion in der Natur

Zusammenfassung Transduktion

• Viren können gelegentlich irrtümlich Stücke der Bakterien (Wirts)-DNA und damit bakterielle Gene übertragen. Diese Gene können beim nächsten Infektionszyklus in eine andere Bakterienzelle übertragen, transduziert werden.

• Die so eingeschleppte DNA kann in das Bakterien-chromosom überwechseln.

• Viren können entweder plasmidische oder chromo-somale DNA auf Bakterien übertragen.

2. Konjugation

• Die Konjugation beschreibt einen paarungsähnlichen (quasi sexuellen) Vorgang zwischen Bakterien.

• Es handelt sich hierbei um einen gerichteten Transfer von genetischen Material zwischen verschiedenen Bakterienzellen (außerhalb des Labors).

Historisches Experiment von

J. Lederberg und E. Tatum(1948 in New York)

• Zwei Stämme des Darmbakteriums Escherichia coli vermischten bei gemeinsamer Kultur bestimmte ihrer Eigenschaften.

• Es handelte sich dabei um die Übertragung von kleinen ringförmigen, extrachromosomalen DNA-Stücken (sogenannte Plasmide).

Nobelpreis für Medizin 1958:

Joshua Lederberg & Edward Tatum

Erklärung: Was ist ein Plasmid?

• Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle oder auch Minichromosomen, die in der Bakterienzelle ein eigenständiges Dasein führen. Fast immer enthalten sie ein oder zwei Gene, die eine nützliche Eigenschaft der betreffenden Bakterienzelle verantwortlich sind.

• Beispiele sind Antibiotikaresistenzen.

Das Watson-Crick Modell der DNA-Struktur

Nobelpreis für Medizin 1962:

James Watson &Francis Crick

Das Plasmid: Ein ringförmiges DNA-Molekül

Gelelektrophorese

Einleitung der Konjugation

• Gramnegative Bakterien lassen sich nach Anfärbung mit Alkohohl wieder entfärben.

• Eine Spenderzelle bildet mindestens ein langes, dünnes Anhängsel aus; dieser Pilus verankert sich an einer Empfängerzelle, verkürzt sich und zieht die beiden Zellen aufeinander zu.

Elektronenmikroskopische Aufnahme

Konjugation - Mechanismus (I)

Konjugation - Mechanismus (II)

Einleitung der Konjugation bei grampositiven Bakterien

• Grampositive Bakterien nehmen Kontakt ohne Pili auf. Eine aufnahmebereite Zelle gibt Substanzen ab, die potentielle Spenderzellen anregen bestimmte Proteine zu erzeugen.

• Diese Moleküle (Duftstoffe) führen die Zellen zusammen. Es bilden sich die dann für den DNA-Transfer nötigen Verbindungsporen aus.

Der Unterschied zwischen Plasmid und Episom

Zusammenfassung Konjugation

• Bakterien können gegenseitig Plasmide aus-tauschen. Dies geschieht über einen paarungs-ähnlichen Vorgang.

• Grampositive und gramnegative Bakterien haben verschieden Strategien entwickelt.

• Beim Austausch wird zunächst eine Kopie der Plasmid-DNA angefertigt, die dann über Pili oder Verbindungsporen in die Empfängerzelle übertragen wird.

3. Transformation

• Eine Bakterienzelle wird umgewandelt oder transformiert.

• Sie nimmt dazu ein Gen als freie DNA aus der Umgebung auf und baut es entweder in das Plasmid oder in das Chromosom ein.

• Voraussetzung ist, daß potentielle Empfänger-zellen überhaupt aufnahmebereit oder auch kompetent sind.

Aufnahme eines Gens

Anwendung der Transformation im

Labor:

Die Klonierung

Anwendung der Transformation im

Labor:

Das Klonieren von DNA unter Verwendung der PCR- Methode und die Folge von Fehlern der Polymerase

Horizontaler Gentransfer