Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion

Natürlicher Gentransfer – Biologie

Genetische Rekombination, also die Neuanordnung von genetischem Material, ist eine wichtige Triebkraft der Evolution. Sicher hast du schon einmal gehört, dass sich Bakterien asexuell durch Zellteilung vermehren. Doch findet dann gar keine genetische Rekombination bei Bakterien statt? Doch – über natürlichen Gentransfer.
Aber was ist natürlicher Gentransfer? Und wusstest du zum Beispiel, dass natürlicher Gentransfer zwischen Bakterien auch die biologische Grundlage für die Weitergabe von Resistenzen ist?

Natürlicher Gentransfer – Definition

Einfach erklärt beschreibt natürlicher Gentransfer den Prozess der Übertragung der Erbinformation, also der DNA, zwischen zwei Bakterien. Durch den Austausch von DNA wird in Bakterien die Erbinformation neu kombiniert. Es findet also eine genetische Rekombination statt, was die genetische Variabilität innerhalb der Population erhöht, obwohl sich Bakterien asexuell durch Zellteilung fortpflanzen. Das ermöglicht auch eine Anpassung an die Umgebung.

Man unterscheidet zwischen drei unterschiedlichen Arten des Gentransfers in Bakterien: der Transformation, der Konjugation und der Transduktion. Wie diese Prozesse funktionieren und was diese drei Arten des Gentransfers unterscheidet, wollen wir dir in diesem Text erklären.

Transformation – Definition

Einfach erklärt beschreibt die Transformation in der Biologie den Prozess der Aufnahme und den Einbau von freier DNA in ein Bakterium. Die DNA kommt dabei aus der Umwelt. Durch die Transformation wird das Bakterium genetisch verändert.

Entdeckung der Transformation durch Griffith – Biologie

Der Mediziner Frederick Griffith hat 1928 als Erster herausgefunden, dass Bakterien untereinander ihre Erbinformationen austauschen können. Wie das Griffith-Experiment ablief, kannst du unter diesem Link hier genauer nachlesen: Griffith – Transformation bei Bakterien.
Zusammengefasst lief sein Experiment so ab: Griffith benutzte zwei Bakterienstämme von Streptokokken. Ein Stamm war pathogen, also krank machend, da er über eine Schleimkapsel verfügte (S-Stamm). Der andere Stamm besaß diese Schleimkapsel nicht (R-Stamm). Im Fall einer Injektion des R-Stamms in eine Labormaus überlebte diese also, wohingegen eine Injektion des S-Stamms tödlich ausging.
Bei genauerer Untersuchung der Mischung stellte Griffith fest, dass auch der R-Stamm eine Schleimkapsel ausbildete, wenn er mit abgetöteten S-Stamm-Zellen zusammengebracht wurde. Er folgerte daraus, dass Erbgut aus dem pathogenen S-Stamm auf die Zellen des R-Stamms übertragen werden kann. Dadurch wurden auch die Zellen des R-Stamms pathogen. Er nannte diesen Vorgang Transformation.

Ablauf der Transformation

Heute weiß man, dass viele Bakterien spezielle Oberflächenproteine besitzen, die auf die Aufnahme von DNA aus der Umgebung spezialisiert sind. Diese Proteine erkennen die DNA verwandter Spezies und transportieren diese in die Bakterienzelle hinein. Vielleicht erinnerst du dich noch an den Aufbau einer bakteriellen Zelle und daran, dass das Bakterienchromosom nicht wie bei Eukaryoten von einem Zellkern umschlossen ist, sondern als ringförmige DNA frei in der Zelle vorliegt. Daher kann die fremde DNA manchmal direkt in das bakterielle Ringchromosom eingebaut werden und wird damit fester Bestandteil der Erbinformation dieses Bakteriums. Man sagt, dass das Bakterium nun rekombinante DNA aufweist.

Hitzeschock-Transformation

In der Forschung macht man sich diesen Vorgang zunutze, um gezielt fremde DNA in Bakterien zu transformieren. Besonders effizient ist dabei das Verfahren der Hitzeschock-Transformation oder im Englischen heat shock. Für diese Methode gibt man einen gewünschten DNA-Abschnitt in ein kleines Reaktionsgefäß mit einem robusten und teilungsfreudigen Bakterium, wie es beispielsweise Escherichia coli (E. coli) ist. Durch einen Hitzeschock auf circa 42 °C wird die Zellwand der Bakterien für einen kurzen Moment etwas durchlässiger und die DNA-Fragmente können ganz einfach von der Zelle aufgenommen werden. Da sich Bakterien sehr schnell teilen, werden sie dann sozusagen als DNA-Produktionsmaschinen verwendet. Jedes E. coli-Bakterium teilt sich einmal alle 20 Minuten und bei jeder Teilung verdoppelt sich die DNA und damit auch das eingebrachte Fragment. Codiert das eingebrachte DNA-Fragment für ein funktionelles Protein, kann man dieses Protein von den Bakterien produzieren lassen. Auf diese Weise wird zum Beispiel menschliches Insulin für die Behandlung von Diabetes auf der ganzen Welt durch Bakterien produziert.

Konjugation – Definition

Einfach erklärt ist die Definition der Konjugation in der Biologie die gezielte DNA-Übertragung von einer Bakterienzelle auf eine andere über eine sogenannte Plasmabrücke.

Ablauf der Konjugation

Der Ablauf der Konjugation zwischen Bakterien ist in der Biologie dabei wie folgt: Zusätzlich zum Ringchromosom können Bakterien auch noch kleinere ringförmige DNA-Moleküle enthalten, die sogenannten Plasmide. Die Plasmid-DNA kann dabei für unterschiedliche Proteine codieren, die dem Trägerbakterium zusätzlich zu seiner Chromosomenausstattung weitere Eigenschaften verleiht. Es gibt so zum Beispiel Bakterien, die ein sogenanntes Fertilitätsplasmid, kurz F-Plasmid, tragen. Solche Bakterien bezeichnet man als F$^{+}$-Zellen. Bakterienzellen, die dieses Plasmid nicht besitzen, bezeichnet man als F$^{-}$-Zellen.
Vor der Übertragung wird das Plasmid in der F$^{+}$-Zelle verdoppelt. Das Plasmid trägt Gene, die für die Ausbildung der Plasmabrücke notwendig sind. Als Nächstes bildet die F$^{+}$-Zelle eine Ausstülpung aus, die als Sex-Pilus bezeichnet werden. Durch den Sex-Pilus nehmen die beiden Bakterienzellen Kontakt auf. Nun kann die Plasmabrücke ausgebildet und die Plasmid-DNA von der F$^{+}$-Zelle auf die F$^{-}$-Zelle übertragen werden. Im Anschluss wird die Plasmabrücke wieder abgebaut und es liegen wieder zwei getrennte Zellen vor, die beide Träger des F-Plasmids sind. Die F$^{-}$-Zelle ist somit zu einer F$^{+}$-Zelle geworden. Auch die Konjugation hat damit in der Biologie eine große Bedeutung für den Austausch von genetischem Material zwischen Zellen.

Resistenzplasmide

Besondere Vorteile bietet die Konjugation in der Biologie in Bezug auf Resistenzen. Wie bereits erwähnt gibt es neben Fertilitätsplasmiden noch viele weitere unterschiedliche Plasmide, so zum Beispiel auch Resistenzplasmide.

Wie du vielleicht weißt, können bakterielle Infektionen mit Antibiotika bekämpft werden. Doch Bakterien können Resistenzen gegen Antibiotika ausbilden. Da diese einen enormen Selektionsvorteil für die Bakterien darstellen, ist es sinnvoll, die Antibiotikaplasmide auf andere Bakterien ohne Resistenzen zu übertragen, damit die Gesamtpopulation überlebt.

Neben der Transformation und Konjugation gibt es noch eine dritte Möglichkeit für natürlichen Gentransfer, den wir dir im nächsten Abschnitt erklären.

Transduktion – Definition

Einfach erklärt ist die Definition der Transduktion in der Biologie das Einschleusen fremder DNA in eine Zelle mithilfe von Phagen. Phagen sind Viren, die auf den Befall von Bakterien spezialisiert sind. Da die Phagen eine Wirtsspezifität haben, ist auch klar, welche Zellen mit der Transduktion verändert werden können – und zwar nur Bakterienzellen.

Ablauf der Transduktion

In einem ersten Schritt infiziert der Phage ein Bakterium mit der Phagen-DNA. Die bakterielle Wirtszelle wird dazu gezwungen, Phagen-DNA und Hüllenproteine des Phagen zu produzieren. Diese neuen Phagenbausteine werden nun vom Bakterium zu neuen Phagen verpackt, die die Bakterienzelle verlassen und neue Bakterienzellen infizieren können. Die Bakterienzelle geht dabei zugrunde. Die Phagen vermehren sich also auf diese Weise. Da das Bakterienchromosom frei im Zytoplasma des Bakteriums vorliegt und dort auch die Replikation und Transkription stattfindet, werden bei diesem Prozess des Verpackens von Phagen-DNA in Phagen-Hüllproteine manchmal auch bakterielle DNA-Stücke in die Phagenhülle verpackt. Infiziert ein solcher Phage im weiteren Infektionszyklus eine andere Bakterienzelle, wird diese bakterielle DNA in die neue Wirtszelle übertragen. Bei dieser Abnormalität des Zyklus, der so von dem Phagen nicht vorgesehen ist, handelt es sich um einen komplett zufälligen Prozess der Natur, der genau wie eine Mutation zu einer Rekombination von Genmaterial beiträgt. Dies kann sowohl positive als auch negative Folgen für das Bakterium mit sich bringen, das durch den neuen Phagen transfiziert wird.

Natürlicher Gentransfer – Zusammenfassung

In diesem Text hast du gelernt, was man unter natürlichem Gentransfer versteht. Du weißt nun, dass man bei Bakterien zwischen drei Arten des Gentransfers unterscheiden kann – der Transformation, der Konjugation und der Transfektion. Du weißt außerdem, wie diese drei Prozesse ablaufen und dass natürlicher Gentransfer sowohl Vorteile für den Menschen bieten kann, indem wir ihn biotechnologisch zur Herstellung von Medikamenten nutzen, aber auch Nachteile, wenn es um die Weitergabe von Resistenzen in Bakterienpopulationen geht. Im Anschluss an das Video und den Text kannst du dein Wissen in interaktiven Übungen testen. Viel Spaß!