Griffith – Transformation bei Bakterien

Griffith – Transformation bei Bakterien Übung

• Definiere den Begriff pathogen.

  Tipps

  Der S-Stamm der Bakteriengattung Pneumococcus ist ein pathogener Stamm. Als Griffith diesen Stamm Mäusen injizierte, starben sie. Pathogene müssen aber nicht immer zum Tod führen.

  Lösung

  Krankheitserreger werden auch als Pathogene bezeichnet. Das Wort stammt vom griechischen pathos ab, welches Leiden oder Krankheit bedeutet.
  Wenn hier also von pathogenen Bakterienstämmen die Rede ist, dann sind sie krankheitserregend oder potenziell krankmachend.
  Je nach Giftigkeit (Toxizität) können Pathogene auch tödlich sein. Das ist aber kein zwingendes Kriterium. Streptococcus pneumoniae ist beispielsweise nur wenig toxisch.

• Stelle die Unterschiede zwischen dem R- und dem S-Stamm des Streptokokken-Bakteriums dar.

  Tipps

  Bakterien vom S-Stamm führten bei den Versuchen von Griffith zum Tod seiner Labormäuse.

  Beim S-Stamm sind jeweils zwei Zellen von einer Schleimkapsel umgeben – S von smooth für glatt.

  Lösung

  Griffith untersuchte zwei Stämme der Bakteriengattung Pneumococcus:
  Der S-Stamm ist glatt (S von smooth) und bildet eine Schleimkapsel um je zwei Zellen. Diese schützt die Bakterien vor den Zellen des Immunsystems und ist deshalb krankheitserregend, also pathogen.
  Den Bakterien des R-Stammes (R von rough für rau) fehlt dagegen die Schleimkapsel. Das Immunsystem des Wirtes wird deshalb mit diesem Stamm eher fertig. Er ist also nicht krankheitserregend und dementsprechend auch nicht pathogen.

• Skizziere den Versuch, den Griffith 1928 durchgeführt hat.

  Tipps

  Lebende S-Bakterien besitzen eine Schleimkapsel (S für smooth, also glatt), die jeweils zwei Zellen umgibt.

  Die dritte Injektion enthält S-Bakterien, die durch Hitze abgetötet wurden.

  Trotz der Injektion von abgetöteten S-Bakterien stirbt die Maus überraschenderweise, wenn die Injektion auch R-Bakterien enthält. Diese Tatsache brachte Griffith auf die Spur der Transformation.

  Lösung

  Der Brite Frederick Griffith führte im Jahr 1928 Versuche mit zwei Stämmen der Bakteriengattung Pneumococcus durch.
  Beim S-Stamm werden je zwei Zellen von einer Schleimkapsel umgeben (S von smooth für glatt). S-Pneumokokken führen zu einer Lungenentzündung, die für Mäuse tödlich ist.
  Dem R-Stamm fehlt die schützende Schleimkapsel (R von rough für rau). Deshalb kann er vom Immunsystem des Wirtes bekämpft werden und führt so nicht zum Tode.

  Griffith injizierte Mäusen lebende S-Bakterien, was zum Tod der Mäuse führte.
  S-Bakterien, die durch Hitze abgetötet wurden, waren für die Tiere harmlos. Auch lebende R-Bakterien waren für die Mäuse ungefährlich.
  Nun kombinierte Griffith in einer weiteren Injektion lebende R-Bakterien und hitzeabgetötete S-Bakterien.
  Überraschenderweise starben die Mäuse, obwohl Griffith vorher festgestellt hatte, dass die Bakterien jeweils vorher ungefährlich waren. In den toten Mäusen konnten lebende S-Bakterien nachgewiesen werden. Wie ist das möglich, wo doch gar keine lebende, sondern abgetötete S-Bakterien injiziert wurden?
  Griffith sprach vom transformierenden Prinzip. Er kannte zwar die dafür verantwortliche Substanz (DNA) nicht, schlussfolgerte aber, dass die Information der Kapselbildung aus den abgetöteten S-Bakterien an die lebenden R-Bakterien übertragen worden sein muss.

  Erst Avery stellte 1944 fest, dass die DNA das transformierende Prinzip darstellt.

• Untersuche die Möglichkeiten des Gentransfers bei Bakterien.

  Tipps

  Bei der Transduktion dienen Phagen (Bakterienviren) als Überträger von bakterieller DNA.

  Bei der Konjugation wird über einen Plasmakanal das ringförmige F-Plasmid (F für Fertilitätsfaktor) übertragen. Dieses verleiht der Zelle überhaupt erst die Fähigkeit, diesen Pilus auszubilden.

  Lösung

  Bakterien sind wie Eukaryoten auch in der Lage, Rekombination zu betreiben. Dies geschieht aber nicht über sexuelle Fortpflanzung. Bei Bakterien spricht man von Parasexualität. Es sind mehrere parasexuelle Vorgänge bekannt:

  • Die Übertragung von genetischer Information durch isolierte DNA wird als Transformation bezeichnet. Das transformierende Prinzip wurde erstmals von Frederick Griffith beschrieben.
  • Als Konjugation bezeichnet man die Übertragung von DNA durch eine Plasmabrücke. Die beiden Zellen stehen in direktem Kontakt und es wird das sogenannte F-Plasmid übertragen, welches den Fertilitätsfaktor enthält.
  • Bei der Transduktion dienen Phagen, also Bakterienviren, als Überträger bakterieller DNA. Hierbei werden über eine Infektion von Bakterien Teile der Bakterien-DNA in neue Phagen eingebaut. Befallen diese dann neue Bakterien, kann über den Umweg der Phagen Rekombination stattfinden.

• Zeige auf, dass streptococcus pneumoniae eine Lungenentzündung auslösen kann.

  Tipps

  Das Wort Pneumatik (von pneuma für Luft) bezeichnet den Einsatz von Druckluft in Wissenschaft und Technik, z. B. auch bei der Herstellung von PET-Flaschen.

  Eine Lungenentzündung wird in der Medizinersprache als Pneumonie bezeichnet.

  Lösung

  Auch wenn sich viele Krankheiten und andere Begriffe der Medizin (und damit auch teilweise der Biologie) zunächst kompliziert anhören, sind sie meistens recht logisch ausgewählt. So auch hier.

  Pneumokokken können als Lungenkörner übersetzt werden. Sie sind für die Lungenentzündung (Pneumonie) verantwortlich.
  Das altgriechische Wort pneúmōn bedeutet also so viel wie Lunge.

• Skizziere die Herstellung transgener Pflanzen.

  Tipps

  Transferiert Agrobacterium tumefaciens seine DNA in Pflanzenzellen, wie du es hier in der Abbildung erkennen kannst, dann werden diese vervielfältigt und führen zur Bildung von Tumoren.

  Lösung

  Agrobacterium tumefaciens schleust Teile seines Erbmaterials in die Pflanzenzellen ein. Dafür nutzt das Bakterium Verletzungen der Pflanze, um in Pflanzenzellen zu gelangen und seine Bakterien-DNA in das Pflanzengenom einzubauen. Durch den Einbau der Agrobakterium-DNA kommt es bei den Pflanzen zu Tumoren, wie du rechts in der Abbildung erkennen kannst.
  Der Vorgang des Gentransfers wird in der Gentechnik zunutze gemacht. Die Gene, die für die Ausbildung der Tumore verantwortlich sind, werden aber ausgeschaltet – keiner möchte Pflanzen mit Wucherungen.
  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.
  Im Jahre 2009 waren etwa 9 % der weltweiten landwirtschaftlich genutzten Flächen mit transgenen Nutzpflanzen angebaut. Ziele der Grünen Gentechnik sind z. B. eine höhere Toleranz gegenüber Pflanzenschutzmitteln oder eine ausgebildete Giftigkeit für Parasiten und anderen Schadinsekten. Auch Zierpflanzen (Blaue Rose) werden z. T. genetisch verändert.

  Übrigens findet die Gentechnik nicht nur in der Pflanzenwelt Anwendung. Es gibt auch genetisch veränderte Tiere. Auch hier werden Gene modifiziert und so gezielt abgeschaltet und andersherum gezielt eingebracht. Transgene Tiere werden in der Forschung beispielsweise dafür eingesetzt, menschliche Proteine zu bilden, die vom Menschen nicht produziert werden können. Die Gentechnik wird aber auch in der Nahrungsmittelproduktion genutzt, um z. B. Rinder zu züchten, die gegen BSE (Rinderwahn) resistent sind. Auch zur Stechmückenbekämpfung oder zur Bekämpfung von Geflügelpest werden gentechnische Verfahren eingesetzt.