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Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien

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Maja O.
Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien

Inhalt

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.

Anwendung genmanipulierter Bakterien Beispiele

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

Anwendungsbereiche von Bakterien in der genetischen Forschung Beispiele
Grundlagenforschung
  • Herausfinden, welches Protein ein Gen oder eine Genvariante codiert
  • Medikamentenherstellung
  • Erzeugung von transgenen Bakterien, die menschliches Insulin produzieren
  • Weiße Biotechnologie (industrielle Biotechnologie)
  • Enzymherstellung für den Einsatz in Waschmitteln
  • Ökologische Biologie
  • Herstellung von Bakterien, die umweltbelastende Substanzen abbauen
  • Medizin
  • Forschung für Methoden zur Tumorbekämpfung mithilfe genetisch veränderter Bakterien
  • 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!

    Transkript Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien

    Hallo! Willkommen zum Video zum Thema: Bakterien in der genetischen Forschung. In diesem Video wird dir Grundlagenwissen zum Thema Bakterien vermittelt. Du erfährst, welche Eigenschaften sie zu beliebten Modellorganismen machen. Der vielfältige Einsatz von Bakterien in der Forschung wird an mehreren Anwendungsbeispielen dargestellt. Warum sind Bakterien in der genetischen Forschung so beliebt? Bakterien sind ideale Modellorganismen. Alle Bakterien sind kleine Einzeller und gehören zu den Prokaryoten. Das heißt, sie weisen im Gegensatz zu menschlichen Zellen oder anderen eukaryotischen Zellen keinen Zellkern und keine Zellorganellen auf. Ein großer Vorteil der Forschung mit Bakterien ist die unkomplizierte Handhabung. Sie lassen sich in einem geeigneten Nährmedium züchten. Im Vergleich zu anderen Organismen ist ihre Aufzucht relativ kostengünstig. Die Vermehrung von Bakterien erfolgt asexuell durch Zweiteilung, wobei zwei genetisch identische Bakterienzellen entstehen, sogenannte Klone. Dies ermöglicht die identische Klonierung von DNA-Molekülen. Ein weiterer Vorteil ist die kurze Generationszeit. Das Bakterium E.coli teilt sich etwa alle 20 Minuten. Von großem Vorteil ist, dass das Genom von E.coli komplett entschlüsselt wurde. Das heißt, dass die DNA-Sequenz, also die Nukleotidabfolge der gesamten DNA, bekannt ist. Vor allem sind Bakterien, insbesondere E.coli, genetisch manipulierbar. Besonders die Entdeckung der Plasmide war entscheidend für die Entwicklung der Gentechnik. Ein Plasmid ist ein ringförmiges DNA-Molekül, das zusätzlich zu den bakteriellen Ringchromosomen vorliegt. Sie können sich unabhängig von diesen verdoppeln. Man spricht von einer autonomen Replikation. Ein Plasmid enthält in der Regel nicht lebensnotwendige Gene, zum Beispiel Resistenzgene. Zwischen Bakterien ist ein Plasmidaustausch möglich. Das Plasmid findet Verwendung als Vektor, also als eine Art Genfähre, mit der man DNA von einem Organismus in einen anderen übertragen kann. Außerdem hat die Entdeckung der Restriktionsenzyme einen sehr wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Gentechnik geleistet. Es handelt sich um molekulare Scheren. Sie haben bakteriellen Ursprung und dienen in Bakterien der Abwehr von Viren. Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Stellen, das heißt, nur an bestimmten Nukleotidabfolgen. Schneidet man ein Plasmid mit einem Restriktionsenzym, so bleiben an den Schnittstellen überstehende Enden mit Einzelstrang-DNA zurück. Schneidet man ein anderes ausgewähltes DNA-Stück mit dem gleichen Restriktionsenzym, so kann dieses in den Plasmid eingebaut werden. Danach wird das Enzym Ligase eingesetzt, um die DNA-Stücke miteinander zu verkleben. Auf diese Weise kann man fast jedes beliebige Gen in ein Plasmid einbauen. Man erhält rekombinante DNA. Diese rekombinante Plasmid-DNA lässt sich in Bakterien einschleusen. Man spricht von einem Transfer des Plasmids. Um den Plasmidring aufnehmen zu können, müssen die Bakterien mit geeigneten Methoden behandelt werden, etwa mithilfe elektrischer Impulse oder chemischer Substanzen. Nach dem erfolgreichen Plasmidtransfer erhält man nun ein transgenes Bakterium, denn es wurde ein fremdes Gen in dieses Bakterien transferiert beziehungsweise übertragen. Es handelt sich um einen genetisch veränderten Organismus, abgekürzt GVO. Man spricht auch oft von einem genetisch manipulierten Organismus, abgekürzt GMO oder auf Englisch GMO. Genmanipulierte Bakterien finden vielfältige Anwendung in der Genforschung. Sie werden zum Beispiel in der Grundlagenforschung eingesetzt. Nehmen wir an, ein Wissenschaftler hat ein Gen oder eine Genvariante entdeckt und will herausfinden, für welches Protein es codiert oder er will das Protein etwas näher untersuchen. Hierfür muss das neu entdeckte Gen exprimiert werden. Zu diesem Zwecke wird die Methode der Klonierung angewendet. Das Gen wird in ein Plasmid eingebaut und es wird ein Transfer in Bakterien, zum Beispiel in E.coli-Bakterien durchgeführt. Die Bakterien vermehren sich unter Bildung vieler genetisch identischer Klone. In diesen Bakterien findet die Expression der Proteine statt. Diese Proteine können aufgereinigt werden und vielfältige weiterführende Untersuchungen des Proteins können durchgeführt werden. Es finden sich zahlreiche Anwendungsbeispiele aus der Gentechnik. So wird die Klonierung in der Medikamentenherstellung eingesetzt. So kann ein transgenes Bakterium erzeugt werden, dass das menschliche Protein Insulin herstellt. Dieses wird als Medikament Diabetespatienten verschrieben. Auch zahlreiche andere pharmazeutische Produkte sind denkbar, zum Beispiel Wachstumshormone, die Kindern mit Wachstumsstörungen verabreicht werden können. Die industrielle Biotechnologie wird auch als weiße Biotechnologie bezeichnet. So können transgene Bakterien zum Beispiel eine Vielzahl von Enzymen herstellen. Diese können wiederum zum Beispiel in Waschmittel eingesetzt werden. Eine immer wichtigere Rolle spielt auch die industrielle Treibstoffherstellung. So können transgene Bakterien zum Beispiel Bioethanol herstellen. Mit zunehmender Umweltverschmutzung gewinnt auch die ökologische Biotechnologie an Bedeutung, zum Beispiel beim Abbau von umweltbelastenden Substanzen. Spezielle genmanipulierte Bakterien können bei Ölkatastrophen eingesetzt werden und dabei behilflich sein, den Ölteppich auf der Meeresoberfläche abzubauen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Genmanipulation von Pflanzen. Hierbei wird das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens eingesetzt. Dies steht im lateinischen für tumormachendes Ackerbakterium. Es ist ein pflanzenpathogenes, also pflanzenbefallendes Bakterium. Es weist ein spezielles, so genanntes Ti-Plasmid auf. Das Agrobacterium tumefaciens verfügt über die Fähigkeit, DNA in Pflanzenzellen zu übertragen. Somit kann ein beliebiges Gen, zum Beispiel ein Gen, das für ein Vitamin codiert, in eine Pflanzenzelle übertragen werden. Die Keimlinge wachsen heran und man erhält transgene Pflanzen. Es würden sich noch zahlreiche andere Anwendungsbeispiele finden. Aktuell wird zum Beispiel am Einsatz von Bakterien bei der Therapie verschiedener Krankheiten geforscht. So hoffen einige Wissenschaftler zum Beispiel auf Methoden zur Tumorbekämpfung mithilfe genetisch veränderter Bakterien.Wir kommen zur Zusammenfassung des Videos: Bakterien haben eine wichtige Rolle in der Genforschung. Die bakteriellen Plasmide werden als Vektoren eingesetzt. Bakterien spielen eine wichtige Rolle bei der Grundlagenforschung, als auch bei der Gentechnik, zum Beispiel in der pharmazeutischen Industrie, in der weißen Biotechnologie, in der ökologischen Biotechnologie und in der Medizin. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video!

    0 Kommentare

    Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Genetische Forschung – Einsatz von Bakterien kannst du es wiederholen und üben.
    • Nenne die Vorteile, die Bakterien für den Einsatz in der genetischen Forschung bieten.

      Tipps

      Generationszeit ist die Zeitdauer, in der sich die Anzahl der Individuen einer Population verdoppelt.

      Man kann Bakterien auf einem Nährboden wachsen lassen.

      Lösung

      Bakterien sind in der Gentechnik beliebte Modellorganismen.

      • Sie sind sehr unkompliziert in der Handhabung.
      • Außerdem ist ihre Aufzucht kostengünstig, man kann die Bakterien auf einem Nährboden wachsen lassen und so die benötigten Proteine o.ä. vermehren lassen.
      • Zudem vermehren Bakterien sich durch Zweiteilung. Es findet also keine geschlechtliche Fortpflanzung statt. Dadurch findet die Vermehrung schneller statt und Produkte können zu einem früheren Zeitpunkt entnommen werden.
      • Außerdem haben Bakterien eine kurze Generationszeit, das heißt, die Zeitdauer, bis sich die Individuen einer Population verdoppelt haben, ist gering.
      • Von besonders großem Vorteil für die Gentechnik ist, dass Bakterien sich gentechnisch manipulieren lassen und somit der Einbau von Fremd-DNA möglich ist.

    • Beschreibe den Vorgang des Einbaus eines Fremdgens in ein Plasmid.

      Tipps

      Durch das Schneiden von DNA mittels des gleichen Restriktionsenzyms wird der Einbau von Fremd-DNA möglich.

      Ist ein Stück Fremd-DNA in ein Plasmid eingebaut, spricht man von rekombinanter DNA.

      Lösung

      Um Fremd-DNA in ein Plasmid zu integrieren, schneidet man sowohl das Plasmid, als auch die fremde DNA mit dem gleichen Restriktionsenzym.

      Durch das Enzym Ligase wird das erwünschte Gen in das Plasmid eingebaut. Die Ligase verknüpft die jeweiligen Enden miteinander.

      Die DNA, die dadurch entsteht, wird als rekombinante DNA bezeichnet.

    • Beschreibe die gentechnische Herstellung von Insulin sowie deren Bedeutung.

      Tipps

      Durch die gentechnische Methode wird Insulin als Medikament gewonnen. Das Bakterium, in welches das Fremdgen eingepflanzt wurde, kommt nicht direkt mit dem Menschen in Kontakt.

      Menschen, die kein oder zu wenig Insulin produzieren, sind von der Erkrankung Diabetes betroffen. Diabetiker haben einen zu hohen Blutzuckergehalt, da Insulin den Blutzucker senkt. Viele Diabetiker müssen sich deswegen das Insulin spritzen.

      Lösung

      Insulin ist ein Peptidhormon, das den Zuckerhaushalt des Menschen reguliert. Menschen, die an der Krankheit Diabetes leiden, können dieses Hormon nicht mehr oder nur in unzureichenden Mengen herstellen. Durch die gentechnische Methode kann das Insulin-Gen aus menschlichen Zellen extrahiert und in Plasmide eingesetzt werden. Diese Plasmide werden dann in Bakterien eingeschleust, die diese dann vermehren. Es entstehen als Produkte unterschiedliche Proteine. Aus diesen Proteinen kann dann das Insulin herausgereinigt werden. Es kann so dem Menschen als Medikament zur Verfügung gestellt werden.

      Man extrahierte, bevor diese Methode angewendet wurde, Insulin aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen und Rindern. Da sich das tierische Insulin jedoch vom menschlichen Insulin unterscheidet, kam es oftmals zu Unverträglichkeiten.

    • Beschreibe den Gentransfer durch Agrobacterium tumefaciens.

      Tipps

      Die Pflanze weist zu Beginn des Versuches keine Wucherungen auf.

      Die T-DNA ist ein Teil der Plasmid-DNA, die Tumore induziert.

      Lösung

      Das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens wird hier als Vektor verwendet, da Pflanzenzellen keine freien Plasmide aufnehmen können. Das Bakterium dringt durch Verletzungen in pflanzliches Gewebe ein und schleust ein tumorinduzierendes Plasmid (Ti-Plasmid) in die Zellen ein. Ein Teil der Plasmid-DNA (die Tumor-Gene bzw. T-DNA) wird in das pflanzliche Genom eingebaut und führt zu erhöhter Zellteilungsaktivität, sodass sich ein Tumor bildet.

    • Beschreibe zentrale Begriffe der Gentechnik.

      Tipps

      Ligase wird auch als „DNA-Kleber" bezeichnet.

      Als rekombinante DNA wird ein DNA-Molekül bezeichnet, das mithilfe von gentechnischen Methoden erstellt wurde.

      Lösung

      In der Bakterienzelle befinden sich zusätzlich zum Bakterienchromosom die Plasmide. Dies sind kleine, in sich geschlossene DNA-Moleküle des Bakteriums. Sie sind wichtige Werkzeuge in der Genetik und werden zur Transformation eingesetzt.

      Restriktionsenzyme sind Enzyme, die DNA an spezifischen Stellen erkennen und schneiden können. Damit die geschnittenen DNA-Moleküle zusammengefügt werden können, müssen sie mit denselben Enzymen geschnitten worden sein.

      Unter dem Begriff der rekombinanten DNA versteht man DNA, die durch gentechnische Methoden neu zusammengesetzt wurde.

      Das Enzym Ligase wird auch als „DNA-Kleber" bezeichnet. Es kann DNA-Stücke miteinander verbinden.

    • Analysiere die Vorteile und Risiken der Gentechnik in Bezug auf den Bt-Mais.

      Tipps

      Bei der Züchtung einer genetisch veränderten Maissorte entsteht eine neue Art.

      Arten können untereinander gekreuzt werden.

      Lösung

      2005 wurde in Deutschland das erste Mal gentechnisch veränderter Mais, der sogenannte Bt-Mais, angebaut.

      Vorteile bietet diese Maissorte, da sie eine Eiweißart produzieren kann, die sie vor einem gefährlichen Schädling, dem Maiszünsler, schützt. Diese Pflanze produziert somit ihre eigene Schutzmaßnahme. Pestizide sind deshalb nicht mehr nötig. Dies schont die Umwelt. Zudem werden so Ernteverluste verhindert, die dadurch hervorgerufen wurden, dass der Maiszünsler die Pflanzen gefressen hat.

      Es ergeben sich jedoch auch Nachteile. Durch den Einsatz der Gentechnik entsteht eine neue Art. Diese Art kann sich mit anderen, heimischen Arten durch Kreuzung vermischen. Neue Arten mit undefinierten Eigenschaften können entstehen. Zudem kann sich der Bt-Mais unkontrolliert ausbreiten. Das Eiweiß, das der Genmais produziert, soll die Pflanzen vor dem Maiszünsler dadurch schützen, dass die Pflanze den Falter schädigt. Dies funktioniert jedoch nicht artspezifisch, das heißt, auch andere Schmetterlingsarten und auch Bienen sind betroffen.

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