Moderne Biotechnologie: Techniken und Anwendungen

2. Biotechnologie: Seit Jahrtausenden hat die Menschheit Fermentation verwendet, um mikrobielle Prozesse zu erlangen und nützliche Produkte zu schaffen. Die moderne Biotechnologie umfasst die gezielte Manipulation des genetischen Materials von lebenden Organismen, um Produkte zu modifizieren, zu verbessern oder tierische Pflanzen oder Mikroorganismen zur Entwicklung von Fähigkeiten für bestimmte Anwendungen zu nutzen. Verfahren der modernen Biotechnologie erlauben die Identifizierung und Regulierung von Mechanismen der Genexpression sowie die Entschlüsselung der enthaltenen Informationen in den Genen. Zudem werden eine Reihe spezifischer Werkzeuge und Techniken entwickelt, wie z.B. rekombinante DNA-Technologie, gentechnisch veränderte Zellklon-Techniken, Zellkultur-Techniken und Gewebetechniken. 3. Rekombinante DNA-Technologie: Die rekombinante DNA-Technologie umfasst eine Reihe von Techniken, die es ermöglichen, DNA auszuschneiden, einzufügen, zu reproduzieren und spezifische Fragmente der DNA-Sequenz zu isolieren. Auch Techniken, die es ermöglichen, einen DNA-Schnipsel von einem Spenderorganismus auf ein anderes DNA-Molekül, genannt Vektor, zu übertragen. Die Kombination wird gewonnen, nachdem ein DNA-Molekül mit einem neuen kombiniert wurde. Rekombinante DNA ist jede DNA, die durch die Vereinigung von Segmenten unterschiedlicher Herkunft gebildet wird. 3.1 Zelluläre Enzyme: In lebenden Zellen wird DNA geschnitten und wieder zusammengesetzt durch eine Art von Enzym, das von Wissenschaftlern für den Einsatz in Laboratorien gereinigt wurde - Restriktionsenzyme oder Restriktionsendonukleasen sind Enzyme, die von Bakterien synthetisiert werden, um ihre DNA vor Invasoren zu schützen. Sie funktionieren wie chemische Scheren, die die Fremd-DNA in Fragmente schneiden. Ligasen sind Enzyme, die die Verknüpfung unterschiedlicher Fragmente ermöglichen, indem sie die Enden zusammenfügen. 3.2 Analyse von DNA-Fragmenten: Sobald Restriktionsenzyme ein Stück DNA schneiden, können die Fragmente getrennt und durch verschiedene Techniken wie Agarose-Gelelektrophorese analysiert werden. Die Agarosegelelektrophorese trennt DNA-Fragmente entsprechend ihrer Größe und elektrischer Ladung. Agarose, ein Polysaccharid, ähnlich wie Gelatine, wird für die Bewegung eingesetzt. Das Verfahren für eine Agarosegelelektrophorese ist wie folgt: - Vorbereitung einer dünnen Schicht von Agar-Gelee in eine Form, die die Bildung eines Hohlraums namens Brunnen ermöglicht, in den Proben eingefügt werden. Die Kammer wird in eine Elektrophorese eingesetzt, die eine Lösung aus Wasser und Salzen enthält und Elektroden an jedem Ende hat. - In jede Vertiefung des Gels wird eine andere Probe mit einer Mikropipette eingefügt, die das Gemisch von DNA aus verschiedenen Größen enthält, die getrennt werden sollen. Da die DNA negativ geladen ist, bewegen sich die Fragmente durch das Gel zur positiven Elektrode, wobei kleinere Fragmente schneller durch die Maschen des Gels gelangen. Nach dem Einschalten wird die Zeit unterbrochen, um die DNA-Banden auf dem Agaroseblatt zu visualisieren, das mit Ethidiumbromid angefärbt wird und fluoresziert, wenn es unter UV-Licht betrachtet wird. Die Agarosegelelektrophorese trennt ein Gemisch von DNA-Molekülen in jedem Band, das aus Tausenden von DNA-Molekülen der gleichen Länge besteht. Diese Methode führt zu einem DNA-Fingerabdruck (charakteristische Bandenmuster und einzigartige DNA eines Organismus). Der DNA-Fingerabdruck ermöglicht es, die Identität einer Person zu bestimmen, z.B. bei Verbrechen oder Vaterschaftstests. 3.3 DNA-Sonden-Hybridisierung: Hybridisierung ist der Prozess, bei dem zwei Einzelstränge der DNA mit einer komplementären Basensequenz zusammenkommen, um einen DNA-Doppelstrang zu bilden. Es ist eine grundlegende Technik in der Biotechnologie, um Gene zu identifizieren, die für ein Protein von Interesse auf einem Chromosom kodiert sind. Dazu wird ein Test der Hybridisierung mit einer DNA-Sonde durchgeführt. DNA-Sonde ist ein Fragment einer künstlichen Einzelstrang-DNA-Sequenz, das mit Radioaktivität oder Fluoreszenz markiert ist und komplementär zu der Sequenz des Gens ist, das erkannt werden soll. Es ist möglich, Tausende von Genen gleichzeitig mit Hilfe von DNA-Chips oder Biochips zu analysieren. Biochips sind Glasobjektträger, auf denen mikroskopisch kleine Zellen fixiert sind, die eine winzige Anzahl von Bits der einzelnen DNA-Stränge enthalten, insbesondere die Nukleotidsequenz, die als Sonde dient. Tausende von mikroskopisch kleinen Zellen sind in einem Raster auf der Glasplatte angebracht und ermöglichen es, parallel Tausende von Hybridisierungsreaktionen durchzuführen, um die Lage der einzelnen DNA-Sondenfragmente zu identifizieren. Die Technologie der Biochips wird verwendet, um: Mutationen zu erkennen, die Expression von Genen zu kontrollieren, Diagnosen von Infektionskrankheiten zu stellen und personalisierte medikamentöse Behandlungen vorzuschlagen, was neue Therapien ermöglicht. 3.4 DNA-Klonen: Klonen bedeutet die Herstellung von genetisch identischen Individuen durch ungeschlechtliche Fortpflanzung. Die Klonierung eines DNA-Fragments ist die Sammlung von Millionen von identischen Exemplaren des Fragments. Ein Fragment der DNA muss in einen Klonierungsvektor eingefügt werden, der ein kleines DNA-Molekül ist, das in einem Bakterium in der Lage ist, sich selbst zu replizieren. Die am häufigsten verwendeten Vektoren sind plasmidische Vektoren. Die Methode des Klonens ist die folgende: 1. Die Plasmid-DNA wird geklont und mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnitten. Die erhaltenen rekombinanten Plasmide werden unter Bedingungen kultiviert, die es jedem Bakterium ermöglichen, nur ein rekombinantes Plasmid zu inkorporieren. Dieser Vorgang wird als Transformation bezeichnet. 2. Das Gen, das Resistenz gegen Antibiotika verleiht, wird in die transformierten Bakterien eingeführt, indem sie auf selektiven Platten kultiviert werden. Nur die rekombinanten Bakterien, die das Plasmid tragen, überleben, während die anderen absterben. 3. Jede Kolonie der transformierten Bakterien wird isoliert und wächst weiter. Die Bakterien verdoppeln sich und damit auch die Plasmide und DNA-Fragmente, die eingefügt wurden. Die Sammlung der Klone von DNA aus einer interessierenden DNA wird als DNA-Bibliothek oder genomische Bibliothek bezeichnet. 5. DNA-Amplifikation durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR): DNA kann in einem Reagenzglas verstärkt werden, ohne dass Klonen erforderlich ist. Diese Technik basiert auf einem Prozess namens Kettenreaktion (PCR), bei dem Millionen von Kopien eines bestimmten DNA-Abschnitts durch die Wiederholung mehrerer Zyklen der DNA-Replikation in vitro entstehen. Das Ausgangsmaterial ist eine DNA-Probe, die ausreichend von den vier Nukleotiden enthält, sowie zwei kurze DNA-Moleküle oder Einzelstrang-DNA-Polymerasen, die hitzebeständig sind. PCR ist ein Werkzeug, das verwendet wird, um DNA-Segmente aus einer Vielzahl von Quellen zu verstärken, um pränatale Diagnosen genetischer Krankheiten durchzuführen. 3.6 Sequenzierung der DNA: Die Bestimmung der Nukleotidsequenz ist eine grundlegende Methode, um Informationen über ein DNA-Fragment zu erhalten. Es gibt Techniken und automatisierte EDV-Systeme, die eine einfache und schnelle Sequenzierung ermöglichen.