Molekularbiologie: PCR, Phagen und Bakterienstruktur

Die PCR-Technik und ihre Anwendungen

Die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) ist eine molekularbiologische Technik, die es ermöglicht, eine große Anzahl von Kopien eines bestimmten DNA-Fragments zu erzeugen, also ein DNA-Fragment zu amplifizieren. Sie basiert auf Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen, welche die Denaturierung der DNA und die anschließende Arbeit der DNA-Polymerase ermöglichen. Nach der PCR-Amplifikation ist es einfacher, Viren oder Bakterien zu identifizieren.

Anwendungen der PCR

• Sequenzierung: Die PCR wird zur Erzeugung ausreichender DNA-Matrizen (Templates) für die Sequenzierung verwendet. Dieses Verfahren ist einfacher und schneller als die zellbasierte Klonierung.
• Expressionsstudien: Sie dienen der Untersuchung der mRNA, die durch Genexpression produziert wird. Dabei wird die RNA revers in cDNA transkribiert, welche anschließend amplifiziert wird. Solche Studien können zeigen, ob beispielsweise virale Gene oder Tumorgene exprimiert werden.
• Evolutionsbiologie und Kartierung: Die Fähigkeit der PCR, auch mit geringen Mengen an DNA von niedriger Qualität zu arbeiten, ermöglicht die Analyse von Gewebe ausgestorbener Arten und trug maßgeblich zur Kartierung des menschlichen Genoms bei.

Struktur und Zyklen von Bakteriophagen

Struktur eines Bakteriophagen

Ein Bakteriophage ist ein komplexes Virus, das aus mehreren Teilen mit unterschiedlicher Form und Symmetrie besteht. Er setzt sich zusammen aus einem ikosaedrischen Kopf, der die Nukleinsäure enthält, und einem helikalen Schwanz. Der Schwanz, der aus Kapsomeren aufgebaut ist, injiziert den Inhalt des Kopfes in die Wirtszelle. Am Ende des Schwanzes befindet sich eine Grundplatte, die an der Wirtszelle andockt. Von dieser Platte gehen mehrere Schwanzfasern aus, die die Anheftung verbessern.

Der lytische Zyklus

Der lytische Zyklus findet statt, wenn das genetische Material des Virus in die Wirtszelle eindringt und mit der Produktion neuer Viren beginnt. Der Zyklus umfasst folgende Phasen:

1. Adsorptionsphase: Die Bakteriophagen heften sich mit ihrem Schwanz an die Bakterienwand an.
2. Penetrationsphase: Der Schwanz kontrahiert und injiziert die Nukleinsäure in das Bakterium.
3. Latenzphase: Die virale Nukleinsäure stört die Zellfunktionen. Von diesem Zeitpunkt an produziert die Zelle virale Komponenten.
4. Reifungsphase: Die viralen Komponenten werden zu neuen Viren zusammengebaut.
5. Lyse-Phase: Die Bakterienwand wird zerstört, und die neuen Viren werden freigesetzt, um weitere Zellen zu infizieren.

Unterschiede zum lysogenen Zyklus

Im Gegensatz zum lytischen Zyklus wird beim lysogenen Zyklus die virale DNA in die DNA des Bakteriums integriert. In diesem Zustand, als Prophage bezeichnet, werden die Gene, die für die Synthese viraler Proteine verantwortlich sind, unterdrückt. Die virale DNA wird bei der bakteriellen Vermehrung an die nachfolgenden Generationen weitergegeben. Unter bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel durch UV-Strahlung, kann der Prophage aktiviert werden und in den lytischen Zyklus eintreten, was zur Produktion neuer Viren und zur Zerstörung der Zelle führt.

Fortpflanzung und Genaustausch bei Bakterien

Asexuelle Fortpflanzung: Zweiteilung

Die asexuelle Fortpflanzung bei Bakterien erfolgt durch Zweiteilung (binäre Spaltung). Nach der Replikation der DNA, die von der DNA-Polymerase gesteuert wird, bildet sich eine Querwand, aus der zwei identische Tochterzellen hervorgehen. Unter optimalen Bedingungen können sich Bakterien sehr schnell teilen.

Parasexuelle Prozesse (Genaustausch)

• Transformation: Aufnahme von freier DNA aus der Umgebung, die von einem anderen Bakterium stammt, und deren Integration in das eigene bakterielle Chromosom. Es ist kein Überträger (Vektor) beteiligt.
• Transduktion: Übertragung von genetischem Material durch einen Vektor, typischerweise einen Bakteriophagen, der als Vermittler zwischen zwei Bakterien fungiert. Die DNA muss hierbei nicht frei in der Umgebung vorliegen.
• Konjugation: Direkte Übertragung von DNA von einer Spender- zu einer Empfängerzelle über eine Plasmabrücke, die durch Pili (oder Fimbrien) gebildet wird.

Die bakterielle Zellwand und ihre Typen

Die bakterielle Zellwand ist eine starre Hülle, die die Plasmamembran umgibt. Basierend auf ihrem Aufbau, der durch die Gram-Färbung sichtbar gemacht wird, unterscheidet man zwei Hauptgruppen: Gram-positive (Gram+) und Gram-negative (Gram-) Bakterien. Bei beiden Typen besteht die Wand aus Peptidoglykan (Murein). Die Zellwand hat mehrere wichtige Funktionen: Sie gibt der Zelle ihre Form, schützt sie vor Zerstörung durch osmotischen Druck und enthält die meisten bakteriellen Antigene.

Gram-positive Bakterien

Gram-positive Bakterien besitzen eine dicke, einheitliche Zellwand, die aus mehreren Schichten Peptidoglykan besteht und mit Teichonsäuren verstärkt ist. Sie besitzen keine äußere Membran. Bei der Gram-Färbung färben sich diese Bakterien violett.

Gram-negative Bakterien

Gram-negative Bakterien haben eine dünnere, aber komplexere Wand. Sie besteht aus einer einzelnen inneren Peptidoglykan-Schicht und einer äußeren Membran. Diese äußere Membran setzt sich aus einer Phospholipidschicht und einer Schicht aus Lipopolysacchariden (LPS) zusammen, deren Polysaccharidketten nach außen ragen. Bei der Gram-Färbung färben sie sich rot.