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Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion

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Maja O.
Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion

Inhalt

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 — Transformation, Konjugation, Transfektion

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!

Transkript Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion

Hallo. Willkommen zum Video zum Thema natürlicher Gentransfer. In diesem Video lernst Du: was ist Gentransfer und wozu dient Gentransfer? Außerdem lernst Du drei Arten des Gentransfers kennen: die Transformation, Konjugation und Transduktion. Unter Gentransfer versteht man im Allgemeinen einen Prozess, bei dem DNA von einem Organismus auf einen anderen übertragen wird. Dieser Prozess findet in der Natur bei Bakterien statt, oder allgemein gesagt, bei Prokaryoten. Durch den Austausch von DNA wird in den Bakterien die genetische Information neu kombiniert. Gentransfer ermöglicht Bakterien, obwohl sie sich asexuell vermehren, die genetische Rekombination. Durch Gentransfer kommt es zu einer erhöhten genetischen Variabilität innerhalb einer Bakterienpopulation. Das sichert die Anpassungsfähigkeit der Bakterien gegenüber veränderten Umweltbedingungen. Kommen wir zur Transformation. Unter Transformation versteht man die Aufnahme und den Einbau von fremder DNA in Bakterien oder andere Zellen. Viele Bakterien haben auf ihrer Oberfläche Proteine, die auf die Aufnahme von DNA aus der Umgebung spezialisiert sind. Diese Proteine erkennen die DNA verwandter Spezies und transportieren diese in die Bakterienzelle herein. Manchmal kann die fremde DNA in das bakterielle Ringchromosom eingebaut werden. Das Bakterium weist nun rekombinante DNA auf. Wir kommen zur Konjugation. Man versteht darunter die DNA-Übertragung von einer Bakterienzelle auf eine andere über eine Plasmabrücke. Gehen wir etwas näher auf die Konjugation bei E. coli Bakterien ein. Dies soll zwei Bakterienzellen darstellen. Sie enthalten beide ein ringförmiges Chromosom, man spricht auch von Ring-DNA. Manche Bakterien weisen zusätzlich ein weiteres kleines, ringförmiges DNA-Molekül auf. Es handelt sich um den sogenannten Fertilitätsplasmid, abgekürzt F-Plasmid. Bakterienzellen, die den F-Plasmid tragen, werden als F+-Zellen bezeichnet. Bakterienzellen ohne das F-Plasmid werden als F--Zellen bezeichnet. Bevor das Plasmid auf die andere Zelle übertragen werden kann, muss eine Verdoppelung der Plasmid-DNA erfolgen. Das Plasmid trägt Gene, die für die Ausbildung der Plasmabrücke notwendig sind. Als nächstes bilden die Bakterien Ausstülpungen aus, die als Sex-Pili bezeichnet werden, Einzahl Sex-Pilus. Mit diesem wird der Kontakt mit der zweiten Bakterienzelle aufgenommen. Danach kommt es zur Ausbildung der Plasmabrücke. Es folgt die Übertragung der Plasmid-DNA von der F+- in die F--Zelle. Die Plasmabrücke wird wieder abgebaut und wir erhalten wieder zwei getrennte Zellen. Die zweite Bakterienzelle enthält jetzt das F-Plasmid und wird dadurch von der F--Zelle zu einer F+-Zelle. Wir kommen zur Transduktion. Unter Transduktion versteht man das Einschleusen fremder DNA in eine Zelle mithilfe von Phagen. Phagen sind Viren, die Bakterien befallen. Bei der Transduktion handelt es sich um eine Abnormalität des Infektionszyklus einer Phage. Beim ersten Schritt infiziert die Phage ein Bakterium mit Phagen-DNA. Die bakterielle Wirtszelle wird dazu gezwungen, virale DNA und virale Hüllenproteine herzustellen. Gelegentlich werden bakterielle DNA-Stücke in einer Phagenhülle verpackt. Bei einer Neuinfektion kann es zu einer Übertragung der bakteriellen DNA kommen. Wir kommen zur Zusammenfassung: Unter der Transformation versteht man die Aufnahme und den Einbau von freier DNA in Bakterien und andere Zellen. Unter Konjugation versteht man die DNA-Übertragung von einer Bakterienzelle auf eine andere über eine Plasmabrücke. Unter Transduktion versteht man das Einschleusen von Fremd-DNA in eine Zelle mithilfe von Phagen. Danke für Deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video.

12 Kommentare

12 Kommentare
  1. Sehr gut.

    Von Lena Marquardt02, vor etwa einem Jahr
  2. Bei der Transduktion fehlt die Gegenüberstellung der allgemeinen und der speziellen Transduktion.

    Von Uemran, vor mehr als 3 Jahren
  3. Wieso wird bei der Transduktion die befallene Zelle dazu gezwungen virale DNA und virale Hüllenproteine herzustellen? Was genau beuetet viral in diesem Zusammenhang und warum ist dieser Prozess der Herstellung so wichtig?

    Von Jule P., vor mehr als 3 Jahren
  4. Als Ergänzung zu einigen Kommentaren:
    Auf dem F-Plasmid [um die 100 kb (Kilobasen) lang] befinden sich ca. 60 Gene, die u.a. auch für die Ausprägung von mehreren Sex-Pili und die autonome Replikation des Plasmids codieren. Was ebenfalls hinzuzufügen ist, dass der Startpunkt des Transfers beim sog. OriT(engl. origin of transfer) beginnt. Während des Transfers ersetzt die Donorzelle durch einen neu synthetisierten komplementären Strang, den übertragenen, sodass ihr Plasmid wieder als Doppelstrang vorliegt.
    Nach der Übertragung wird in der Akzeptorzelle ein komplementärer Strang zum übertragenen Einzelstrang synthetisiert und die Plasmid DNA zirkularisiert (fertiges Plasmid).

    Von Flo 1805, vor mehr als 5 Jahren
  5. Warum ist das video nur 1:20 lang???

    Von Jacob96 Jw, vor mehr als 6 Jahren
Mehr Kommentare

Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Natürlicher Gentransfer – Transformation, Konjugation, Transduktion kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den natürlichen Gentransfer und nenne seine Bedeutung.

    Tipps

    Bakterien gehören zu den Prokaryoten.

    Beim Gentransfer kommt es zur Übertragung von DNA.

    Lösung

    Unter natürlichem Gentransfer versteht man die Übertragung von einem oder mehreren Genen auf einen Organismus. Er kommt in der Natur bei Prokaryoten vor. Zu den Prokaryoten zählen die Bakterien.

    Durch diesen Transfer von DNA wird eine neue Zusammenstellung der DNA, eine Rekombination, möglich. Außerdem erhöht der Gentransfer die genetische Variabilität. Dies führt zu einer gesicherten Anpassungsfähigkeit der Prokaryoten.

  • Beschreibe drei Arten des Gentransfers.

    Tipps

    Phagen sind Viren, die Bakterien als Wirtszellen verwenden.

    Bei der Konjugation erfolgt die Übertragung über eine Plasmabrücke, die auch als Sexpilus bezeichnet wird.

    Lösung
    • Als Transformation bezeichnet man die Aufnahme von fremder, freier DNA in Bakterien oder andere Zellen. Dabei erkennt ein spezielles Protein die fremde DNA und schleust sie in die Zelle ein.
    • Bei der Konjugation werden Plasmide von einer Bakterienzelle auf eine andere übertragen. Hierzu wird der Kontakt über einen Sexpilus hergestellt. Schließlich entsteht eine Plasmabrücke, über die die DNA ausgetauscht wird.
    • Die Transduktion beschreibt den Vorgang des Einschleusens von fremder DNA mithilfe von Phagen.
  • Erkläre den Aufbau der Bakterienzelle.

    Tipps

    Die Zellwand gibt der Zelle Halt und Struktur.

    Geißeln sind Zellfortsätze, die die Bakterien zur Fortbewegung nutzen.

    Lösung

    Die Bakterienzelle wird begrenzt von der Zellwand, die sie umgibt. Am Kopf der Bakterienzelle befinden sich die Pili. Hiermit bilden die Bakterien bei einer Transformation Plasmabrücken aus.

    Am hinteren Ende der Zelle tragen manche Bakterien Geißeln, die zur Fortbewegung dienen.

    Im Zellinneren befinden sich das Bakterienchromosom und kleinere, in sich geschlossene DNA-Ringe, die Plasmide.

  • Beschreibe den Herstellungsprozess transgener Pflanzen.

    Tipps

    Agrobacterium tumefaciens führt bei Pflanzen eigentlich zur Tumorbildung. Die Gene, die für die Tumorbildung verantwortlich sind, können jedoch ausgeschaltet werden.

    Transgene Pflanzen ist die Bezeichnung für genetisch veränderte Pflanzen.

    Lösung

    Agrobacterium tumefaciens schleust Teile seines Erbmaterials in die Pflanzenzellen ein. Durch verletzte Pflanzenteile gelangen diese Bakterien in die Pflanze und bauen einen Teil ihrer DNA in das Pflanzengenom ein. Durch den Einbau der Agrobakterium-DNA kommt es bei den Pflanzen zu Tumoren. Diesen Vorgang kann man sich in der Gentechnik zunutze machen. Die Gene, die für die Ausbildung der Tumore verantwortlich sind, werden ausgeschaltet. Stattdessen werden andere Informationen in das Agrobakterien-Genom integriert. Überträgt Agrobacterium tumefaciens sein Plasmid dann auf die Pflanzenzelle, so kann diese DNA in das Pflanzengenom eingebaut werden. Dies führt dazu, dass die Pflanze diese Informationen weiter verarbeitet und so z.B. Stoffe zum eigenen Schutz produzieren kann.

  • Benenne die Möglichkeiten des Gentransfers.

    Tipps

    Beim Gentransfer wird DNA von einem Organismus auf einen anderen Organismus übertragen.

    Bei welcher Form des natürlichen Gentransfers bilden die Bakterien eine Plasmabrücke?

    Lösung

    Dargestellt sind die Transformation, die Transduktion und die Konjugation.

    • Die Tranformation beschreibt die Aufnahme und den Einbau fremder, freier DNA in eine andere Zelle.
    • Die Transduktion ist die Einschleusung fremder DNA in eine Zelle mithilfe von Phagen.
    • Bei der Konjugation findet DNA-Übertragung von einer Bakterienzelle auf eine andere mittels einer Plasmabrücke statt.
    In Bild 2 ist die Mitose, also die Zellteilung, dargestellt. Hierbei handelt es sich also um keinen Gentransfer.

  • Erkläre den lytischen Zyklus der Bakteriophagen.

    Tipps

    Der Phage muss die Bakterie zunächst infizieren, um sich dann in ihr vermehren zu können.

    Überlege, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit die Bakteriophage ihre DNA in die Bakterie einschleusen kann.

    Lösung
    • Als Bakteriophagen bezeichnet man Viren, die Bakterien als Wirtszellen benutzen. Während des lytischen Vermehrungszyklus bindet der Phage zunächst an die Bakterie. Dies geschieht nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.
    • Anschließend wird die Viren-DNA über den Schwanzstift des Phagen eingeschleust.
    • In der sich anschließenden Latenzphase werden alle Stoffwechselprozesse des Bakteriums auf die Ansprüche des Virus umgestellt.
    • Sind alle notwendigen Bestandteile für neue Phagen von der Bakterienzelle produziert worden, werden die Phagen zusammengesetzt.
    • Ein Enzym des Phagen löst schließlich die Zellwand des Bakteriums auf, zerstört dieses somit und lässt die neu gebildeten Phagen frei.
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