Cytologie

Plasmid

Was ist ein Plasmid und wie sehen sein Aufbau und seine Verwendung aus? In diesem Beitrag erfährst du alles zu den Plasmiden.

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Inhaltsübersicht

Plasmid einfach erklärt

Du kannst dir ein Plasmid als ein kleines, ringförmiges doppelsträngiges DNA-Molekül vorstellen, das vor allem in Bakterien und Archaeen , also in Prokaryoten  vorkommt. Es tritt relativ selten auch in Eukaryoten auf, wie zum Beispiel in Backhefe.

Plasmide können sich selbstständig vermehren und zählen nicht zum Bakterienchromosom. Außerdem können sie in ihrem Inneren Gene enthalten, die zum Beispiel für eine Antibiotika-Resistenz kodieren.

In der Gentechnik werden Plasmide vor allem genutzt, um genetisch veränderte Pflanzen herzustellen und bestimmte Gene zu vervielfältigen.

Plasmid Aufbau

Der Aufbau eines Plasmids ähnelt dem eines Ringes. Es trägt die Erbinformationen in Form einer doppelsträngigen DNA und kommt wie erwähnt in Bakterien und Archaeen vor.

Plasmid DNA

Plasmiden sind verhältnismäßig kleine Moleküle. Sie sind meistens nur zwischen 2 kBp und 200 kBp groß. „kBp“ steht hierbei für den Begriff „Kilo-Basenpaare“ und ist eine Einheit, in der die Größe von doppelsträngigen DNA Abschnitten angegeben wird. Ein bp bezeichnet zwei gegenüberliegende Nukleobasen, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Ein „kBp“ sind 1.000 dieser Basenpaare.

Die verhältnismäßig größeren DNA Moleküle innerhalb eines Bakteriums werden Bakterienchromosom genannt. Da die Plasmiden nicht zu diesem Bakterienchromosom zählen, kannst du sie auch als extrachromosomale DNA-Moleküle bezeichnen.

%<img class="" src="https://dccdn.de/pictures.doccheck.com/images/402/48f/40248f66485526078895d15196cc9eb2/64329/m_1411253078.jpg" alt="Plasmid" width="308" height="158" />Beschriftung: Plasmid und chromosomale DNA, alt text: Plasmid, plasmide, chromosomale DNA, Bakterienchromosom, DNA

Innerhalb eines Plasmids (Plasmid DNA) können verschiedenste Gene enthalten sein. Diese Gene können unterschiedlichste Aufgaben erfüllen, wie zum Beispiel eine Resistenz gegen Antibiotika herstellen. Aus diesem Grund werden sie oft auch in der Gentechnik als „Werkzeuge“ genutzt, um bestimmte Eigenschaften in fremde Lebewesen einzubauen.

%<img class="" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Example_plasmid.png" width="137" height="134" />Beschriftung: Gene innerhalb des Plasmids, alt text: Resistenzgen, Plasmid, Gen, Gene, Plasmid DNA

Innerhalb eines jeden Plasmids befindet sich ein Replikationsursprung. Dieser ist eine bestimmte Sequenz von Nukleinsäuren, die als Startpunkt für die Replikation%Verweis der DNA dient. Bei Bakterien wird dieser Replikationsursprung auch als „ORI“ (origin of replication) bezeichnet. Wenn dieser ORI kompatibel zu dem Bakterienstamm ist, kann sich das Plasmid unabhängig vom Bakterienchromosom vermehren.

Episom

Im Gegensatz dazu stehen die sogenannten Episome. Das sind Plasmide, die sich in das Bakterienchromosom integrieren können und sich bei jeder Zellteilung des Wirts mit replizieren. Sie können aber auch eigenständig existieren.

%<img class="mw-mmv-final-image png mw-mmv-dialog-is-open" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Plasmid_episome.png" alt="" width="178" height="163" crossorigin="anonymous" />Beschriftung: Vermehrung von Plasmiden (oben) und Episomen (unten), alt Text: Plasmid, Plasmide, Episom, Episome, Vermehrung

Virale Episome wie die der Herpesviren können oft in Eukaryoten vorkommen. Dabei integrieren sich diese jedoch nicht in das Genom, sondern in den Zellkern . Die Episome von Pockenviren können sich vor allem ins Cytoplasma einlagern.

Plasmid Konjugation

Bakterien sind in der Lage, Plasmiden untereinander auszutauschen. Dieser Vorgang wird auch als Konjugation bezeichnet. Hierbei spielt das  tra-Gen eine wichtige Rolle, indem es diesen Austausch auslöst.

Die gesamte Konjugation läuft dabei parasexuell ab. Das bedeutet, dass der Austausch ohne Sexualität, d.h. ohne Verschmelzung von Geschlechtszellen und ohne Meiose stattfindet. Stattdessen können die Bakterien ihre Plasmide über eine Plasmabrücke austauschen.

%<img class="mw-mmv-final-image png mw-mmv-dialog-is-open" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Conjugative_plasmids.png" alt="" width="271" height="188" crossorigin="anonymous" />Beschriftung: Konjugation eines Plasmids über die Plasmabrücke, alt Text: Plasmid, Plasmide, Plasmabrücke, Konjugation

Sogenannte nicht-konjugierende Plasmide können nicht selbstständig übertragen werden. Sie können aber zusammen mit konjugierenden Plasmiden in andere Bakterienzellen übertragen werden.

Plasmid Einteilung

Du kannst die Plasmiden nach ihren Funktionen einteilen. Es wird zwischen 5 Arten unterschieden:

  • Resistenzplasmid/R-Plasmid: Dieses Plasmid enthält Gene, die eine Resistenz gegen Gifte oder Antibiotika aufweisen.
  • Abbauplasmid/Degradationsplasmid: Diese Art enthält Informationen für Enzyme, die Substanzen wie Kohlenwasserstoff abbauen können.
  • Virulenzplasmid: Ein Virulenzplasmid verwandelt ein Bakterium in einen Krankheitserreger.
  • Fruchtbarkeitsplasmid/F-Plasmid: Dieses Plasmid enthält die tra-Gene und verleiht somit dem Bakterium die Fähigkeit zur Konjugation. Während der Konjugation wird meistens auch das F-Plasmid übertragen.
  • Col-Plasmid: Diese Plasmide enthalten Gene, die für Gifte kodieren, welche für andere Bakterien schädlich sind (=Colocine).

Neben diesen 5 Hauptgruppen gibt es auch noch weitere Plasmidarten.

Ein Beispiel sind die sogenannten Tumor-induzierenden Plasmide (Ti-Plasmide). Sie liegen insbesondere in den Agrobakterien. Die Ti-Plasmide ermöglichen es, DNA in den Protoplasten von Pflanzenzellen zu übertragen und diese somit genetisch zu verändern. Dadurch können zum Beispiel Wucherungen oder Krankheiten in diesen Pflanzen entstehen.

Plasmid Verwendung

Das Wissen über Plasmide wird sich insbesondere in der Gentechnik zu Nutze gemacht. Hier werden sie als „Werkzeuge“ genutzt, um als Vektor genetisches Material in das Ziellebewesen einzuschleusen.

Ein wichtiger Anwendungsfall von Plasmiden als Vektoren ist bei genetisch veränderten, sogenannten transgenen Pflanzen. Hier wird der Protoplast der Pflanzenzelle mit einem Agrobakterium infiziert. Ein Teil der Plasmidinformation des Bakteriums wird nun in die Pflanzenzelle eingeschleust, wodurch die Pflanze neue Fähigkeiten wie zum Beispiel eine Antibiotikaresistenz erlernen kann.

Die wohl bekanntesten Beispiele für transgene Pflanzen sind der transgene Mais oder die Anti-Matsch-Tomate.

Ein weiterer Anwendungsfall der Plasmide in der Gentechnik besteht in der Vervielfältigung von Genen.
Hierbei wird ein Gen, das vervielfältigt werden soll, in Plasmide mit Genen für eine Antibiotika-Resistenz eingefügt. Danach werden diese Plasmide in Bakterien eingefügt. Als nächstes wachsen diese Bakterien auf einem Nährboden, der mit Antibiotika behandelt wurde. Nun überleben nur noch die Bakterien, die auch wirklich die Plasmide mit der Antibiotika-Resistenz und somit auch das gewünschte Gen enthalten. Nach der Vermehrung können die gewünschten Gene dann extrahiert werden.

Ein wichtiges Beispiel in der Vervielfältigung von Genen ist die Herstellung von Insulin. Früher musste es aufwendig aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen isoliert werden, heute kann es jedoch relativ einfach durch Vervielfältigung mittels Plasmiden hergestellt werden.

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