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Inhaltsverzeichnis
1. Der Bau
1.1 Normale Einzeller
1.2 Das Bakterium
2. Das Wachstum von Bakterienkulturen
Die Mutationen
3.1 Das Antibiotikum
3.2 Der Fluktuationstest
3.3 Die Mangelmutanten
Die genetische Rekombination
4.1 Der Chromosomentransfer
4.2 Die Sexduktion
4.3 Die Genkartierung
Der Bau
Bakterien sind Einzeller
Normale Einzeller
enthalten alle Bestandteile einer pflanzlichen oder tierischen Zelle, wie z.B. die Dictyosomen, Mitochondrien, Plastiden und einen Zellkern, in dem sich die Erbanlagen befinden
1.2 Das Bakterium
- Zellmembran aus 1. Gram - positive Bakterien mit einer Membran aus Murein und 2. Gram - negative Bakterien mit einer Membran aus einer dünnen Murinschicht und einer zusätzlich von außen bedeckten Lipoid-Protein - Schicht
- die Zellwand der Bakterien zeigt also keine Übereinstimmungen mit anderen Zellwänden, da das Murein eine neue Verbindung aus Zuckern und Aminosäuren ist
- wie bei allen Biomembranen kontrolliert die Zellmembran den Stoffein- und austritt
- zur Fortbewegung dienen Geiseln, die sich wie ein Propeller drehen ( E. Coli Bakterien haben Geißeln über die gesamte Oberfläche verteilt)
- ebenfalls auf der Oberfläche befinden sich bei manchen Bakterien die sogenannten Pili, bestehend aus langen dünnen Proteinfäden, die zur Kontaktaufnahme mit anderen Zellen dienen
- Bakterien besitzen keinen Zellkern, folglich schwimmt die DNA (ein ringförmiger Doppelstrang) im Zellplasma frei herum
- zusätzlich zum Bakterienchromosom befindet sich auch noch ein Plasmid im Zellplasma, das zusätzliche genetische Informationen enthält
- da die haploiden Bakterien keinen Zellkern haben, bezeichnet man sie als Prokaryoten, im Gegensatz zu den Eukaryoten, zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze gehören
- weiterhin befinden sich in einem Bakterium, wie auch in normalen Einzellern die Ribosomen zur Proteinbiosynthese (Translation)
- typische Zellorganellen, wie Mitochondrien, Plastiden, Endoplasmatisches Retikulum und Dictyosomen fehlen dem Bakterium
2. Das Wachstum von Bakterienkulturen
- aufgrund ihrer vielfältigen Stoffwechselwege sind Bakterien in der Lage sich den unterschiedlichsten Lebensbedingungen anzupassen - sie können fast überall überleben, deshalb spricht man auch von der Allgegewärtigkeit der Bakterien
- Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung, also durch die mitotische Teilung
Es ergibt sich folgende Wachstumskurve einer Bakterienkolonie:
Anlaufphase:
- zunächst wird der Stoffwechsel der Bakterien aktiviert
- Enzyme werden synthetisiert, zur Verwertung der vorhandenen Nährstoffe
- in diesem Zusammenhang findet die Transkription statt, so daß sich ein Anstieg der RNA auf das 8 bis 12fache beobachten läßt
- die Zellteilungen beginnen einzusetzen
Exponentielle Phase:
- es liegt eine konstante maximale Teilungsrate vor, deshalb ist diese Phase durch einen linearen Kurvenverlauf gekennzeichnet - es herrschen optimale Kulturbedingungen
- z.B. so würde eine unbeschränkt exponentiell wachsende Kultur die Weltmeere innerhalb von nur 5 Tagen ausfüllen
Stationäre Phase:
- ohne unbegrenztes Nährstoffangebot setzt jedoch mit verknappten Nährstoffen ein langsameres Wachstum ein, das Wachstum sinkt so lange, bis die Zahl mit den sterbenden Zellen übereinstimmt - es entsteht also ein Gleichgewicht
- das Wachstum wird zusätzlich gehemmt durch Stoffwechselprodukte der Bakterien, die sie in ihrem Wachstum negativ beeinflussen
Absterbephase:
- nach einiger zeit wirken sich die ungünstigen Faktoren (Nähstoffmangel/hohe Stoffwechselbelastung) so negativ aus, daß es zu einer stetigen Abnahme der Kultur kommt
3. Die Mutationen
3.1 Das Antibiotika
- sind Stoffe, die Bakterien schon in geringer Konzentration in ihrem Wachstum hemmen oder abtöten
- die meisten Antibiotika wirken auf den genetischen Apparat von Prokaryoten und hemmen dort die Translation - so führt z.B. Streptomycin am 70s Ribosom zu Ablesefehlern bei der m-RNA
- Antibiotika werden zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten eingesetzt
- die geläufigste Form der Antibiotika ist das Penizillin:
- ist ein Pilz, der einen Wirkstoff absondert, der das Wachstum der Bakterien hemmt, den Eukaryoten jedoch nicht schadet (Fleming)
- Penizillin tötet nur Bakterien, die sich in der Teilung befinden, da es die Zellwandbildung außer Kraft setzt: (dies läuft folgendermaßen ab)
- das Penizillin inaktiviert ein Enzym, das für die Quervernetzung der Peptidketten des Mureins ( Baustoff der Zellwand) verantwortlich ist
- folglich können die Zellen nicht die mitotische Teilung durchführen, da eine Zellwandbildung und somit eine Trennung der beiden Zellen ausgeschlossen ist
- trotz der nicht abgeschlossenen Zellteilung, beginnt die Zelle zu wachsen sie wächst um ein Vielfaches der normalen Bakteriengröße - bis sie schließlich zerplatzt
- da die Zellwand nur bei Gram-positiven Bakterien allein aus Murein besteht, werden Gram-negative Bakterien durch Penizillin nicht beeinträchtigt
- im Laufe der Zeit treten mehr und mehr Bakterien auf, die gegen sonst wirksame Antibiotika resistent geworden sind
- diese Eigenschaft wird an die Nachkommen weitergegeben, ist also vererbbar
- die Resistenz muß also aufgrund einer genetischen Informationsveränderung durch Mutation erfolgen
- um diese These zu beweisen, entwickelten die Biologen M. Delbrück und E. Luria den Fluktuationstest
3.2 Der Fluktuationstest
- der Nachweis von resistenten Bakterien auf antibiotikumhaltigem Nährboden könnte als Anpassung an die Kulturbedingung interpretiert werden - so wäre die Resistenzweitergabe eine Vererbung erworbener Eigenschaften, daß würde bedeuten, daß das Antibiotikum selber die genetische Veränderung bewirkt
- Mutationen werden jedoch grundsätzlich als zufällige Vorgänge eingestuft - also muß die Antibiotikaresistenz eine von vielen Mutationen sein, die auch ohne den Kontakt mit Antibiotika auftritt
Der Fluktuationstest läuft folgendermaßen ab:
1. Eine Bakterienkultur wird angesetzt, die für alle weiteren Versuche benutzt wird
1.1 Eine Probe der Bakterienkultur wird auf antibiotikumhaltigem Nährboden ausgebreitet
F Ergebnis: Alle Bakterien sterben ab, da keine resistenten Zellen
vorhanden sind
2. Der Anfangskultur werden zwei Ansätze A und B entnommen
2.1 Die Kultur von Ansatz A wird in einem Reagenzglas belassen - die Kultur von Ansatz B wird auf 40 Reagenzgläser aufgeteilt
2.2 Beide Kulturen werden auf jeweils 40 antibiotikumhaltige Nährböden verteilt
F Ergebnis: In der Versuchsreihe A tritt auf allen Platten etwa die gleiche Anzahl antibiotikaresistenter Kolonien auf.
F Im Ansatz B mit den getrennt kultivierten Proben, zeigt das Ergebnis starke Unterschiede (auch Fluktuationen genannt)
3. Vergleicht man die beiden Kulturen, so läßt sich jedoch feststellen, daß die Gesamtzahl der antibiotikaresistenten Bakterien gleich ist
- die Streuung der Anzahl resistenter Kolonien auf den Platten des Ansatzes B widerlegt, daß die Mutationen durch den Kontakt mit dem Antibiotikum entstanden sind - sonst wäre die Anzahl der resistenten Bakterien aus Ansatz B auf allen Platten etwa gleich gewesen
- so weist der Fluktuationstest nach, daß die Resistenz ein zufälliges Mutationsergebnis ist, und schon vor dem Kontakt mit dem Antibiotikum entsteht
3.3 Die Mangelmutanten
- die Antibiotikaresistenz ist jedoch nur eine von vielen Mutationen
- viele Mutationen sind Mangelmutanten, sie haben die Fähigkeit der Synthese einer zum Wachstum benötigten Verbindung (z.B. Aminosäure) verloren
- um Mangelmutanten aufzufinden benutzt man verschiedene Nährlösungen, denen die jeweils benötigten Aminosäuren fehlen - überträgt man eine Kolonie auf einen Nährboden dem Leucin fehlt, so können Leucin-Mangelmutanten auf diesem Boden nicht gedeihen
4. Die Genetische Rekombination
- wie schon gesagt besitzen Bakterien keinen Zellkern und vollziehen auch keine meiotische Teilung, dennoch findet bei Bakterien eine genetische Rekombination statt
- um die genauen Vorgänge der Rekombination erklären zu können, arbeiteten die Biologen J. Lederberg und E. Tatum mit Doppelmutanten. Die Mutante 1. konnte die Aminosäuren A und B, die Mutante 2. Die Aminosäuren C und D nicht synthetisieren
- beide Mangelmutanten konnten also auf einem Minimalnährboden ohne die Aminosäuren A,B,C,D nicht gedeihen
- breitet man jedoch ein Gemisch der beiden Kulturen auf einem Minimalnährboden aus, so zeigte sich, daß einige wenige ( unvorstellbar wenig 10*14) Bakterienkulturen überlebten
- dieses Versuchsergebnis schließt eine doppelte Rückmutation aus - es ist also vielmehr zu einem einseitigen Austausch von genetischem Material gekommen
- zum Beweis dieser Annahme , daß für den beobachteten Genaustausch ein Zellkontakt notwendig ist machten die beiden Biologen einen zweiten Versuch:
- in die eine Hälfte eines U-Rohres füllte man die Mangelmutante 1. (kann A und B bilden), in die andere Hälfte die Mangelmutante 2. (kann C und D bilden)
- bei einer Durchmischung mit einem Bakterienfilter (bakterienundurchlässig / nährlösungsdurchlässig) im U-Rohr und anschließendem Test auf einem Minimalnährboden, zeigte sich, daß keine Bakterienkulturen wuchsen - es kam also zu keinem Austausch von genetischem Material
- entfernt man hingegen den Bakterienfilter, so wachsen Bakterienkulturen auf dem Minimalnährboden - folglich muß zur genetischen Rekombination ein Zellkontakt hergestellt werden
- ein solcher Zellkontakt erfolgt über eine sogenannte Plasmabrücke, über die das genetische Material transportiert wird - es findet also ein einseitiger Transfer von Spenderzelle zu einer Empfängerzelle statt
- diese Form der Rekombination nennt man Konjugation
- nicht jede Zelle kann als Spenderzelle fungieren, hierfür ist der sogenannte F-Faktor (Fertilitätsfaktor) nötig - der F-Faktor ist ein besonderes Plasmid
- Spenderzellen mit diesem F-Faktor werden deshalb auch als F+ (männlich) bezeichnet, dementsprechend sind die Empfängerzellen F- (weiblich)
- F-Faktor: Er trägt u. a. Gene, die für die Ausbildung von längeren Fortsätzen verantwortlich sind. Diese F-Pili (Sex-Pili) erkennen eine Empfängerzelle (F-) und stellen den Zellkontakt über die Plasmabrücke her.
- vor der genetischen Rekombination wird der F-Faktor verdoppelt (synthetisiert)
- nach Ausbildung der Konjugationsbrücke öffnet sich ein DNA-Strang des F-Faktors der Spenderzelle, und wandert in die Empfängerzelle, die somit selber zur Spenderzelle wird
- eine Zelle die F- ist, wird also durch den erhaltenen F-Faktor selber zu einer F+ Zelle
- mit der Zeit müßten so alle Bakterien zu F+ - Zellen werden, die tritt jedoch nicht ein, da der F-Faktor oft verloren geht, so z.B. er vor der Zellteilung oder während des Konjugationsvorganges nicht verdoppelt wird
4.1 Der Chromosomentransfer
- es gibt auch Bakterien, bei denen der F-Faktor in das Bakterienchromosom integriert ist - eine solche Zelle wird als Hfr-Zelle bezeichnet (High Frequency of recombination)
- Hfr-Zelle: Spenderzelle, bei der das Plasmid ins Bakterienchromosom integriert ist. Es wird bei der Konjugation mit der Kopie des F-Faktors meist auch ein Teil der Kopie des Bakterienchromosoms in die Empfängerzelle übertragen
- die Hfr-Zelle fungiert also als F+ Zelle, es wird wiederum ein Plasmabrücke aufgebaut, über die nicht nur der F-Faktor, sondern auch chromosomale Gene übertragen werden können
dies geschieht folgendermaßen:
- ein Strang des DNA-Doppelringes bricht bei Kontakt (Plasmabrücke) mit einer F- Zelle in der Mitte des eingebauten F-Faktors auf
- der DNA-Strang wird in die Empfängerzelle übertragen und dort verdoppelt (synthetisiert) - es liegt also in der Empfängerzelle ein doppelsträngiges DNA-Stück der Spenderzelle vor, das zu einem Abschnitt des Empfängerchromosoms homolog ist
- es kann daher zu einem Stückaustausch zwischen den homologen Chromosomen durch crossing-over kommen, sprich zwischen Spender- und Empfängerzelle - es findet also eine genetische Rekombination in der Empfängerzelle statt
4.2 Die Sexduktion
- spezielle Form der Konjugation
- wie schon gesagt ist bei der Hfr-Zelle der F-Faktor in das Bakterienchromosom integriert, dieser F-Faktor kann jedoch wieder aus dem Chromosom ausscheren und zum Plasmid werden
- bei dieser Freisetzung können chromosomale Gene mitgenommen werden, so daß ein F-Plasmid entsteht, das zusätzliche Geninformationen trägt - in diesem Fall spricht man von einem F´-Faktor
- der F´-Faktor kann auf eine Empfängerzelle übertragen werden, bei dessen Übertragung er Teile des Bakterienchromosoms mitnehmen kann - tritt dieser Vorgang ein, so ist die sekundär F´-Faktor-Zelle teilweise diploid
allgemein:
Diese Vorgänge werden als Parasexualität bezeichnet, da es wie bei der sexuellen Fortpflanzung zur Vereinigung und zum Austausch von genetischem Material kommt. Bei den parasexuellen Vorgängen handelt es sich im Gegensatz zu den sexuellen jedoch nicht um die Vereinigung zweier kompletter Sätze der genetischen Information, sondern meist nur um Teile davon. Der Austausch erfolgt nicht nach den Gesetzen der Meiose.
4.3 Die Genkartierung
- da der Spender-DNA-Strang immer im Bereich des F-Faktors aufgebrochen wird, werden die Gene, die dem F-Faktor benachbart sind zuerst übertragen
- bei der Konjugation zwischen Hfr-Zelle und F- Zelle kann das gesamte Chromosom, oder nur ein Teil übertragen werden
- meistens wird der Kontakt vorzeitig unterbrochen, so daß nur ein Teil des Bakterienchromosoms übertragen und in die Empfängerzelle eingebaut wird
- diese Information kann man nutzen, um Genkarten der Chromosomen anzufertigen - es läßt sich also aus dem Zeitpunkt, zu dem bestimmte Gene in den Empfängerzelle auftauchen, auf den Abstand der Gene untereinander schließen
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