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Abb. 1: Schematische Darstellung eines Bakteriums mit Plasmiden.
(1) Chromosomale DNS. (2) Plasmide.
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Abb. 2: Schematische Darstellung eines Plasmids mit
Antibiotika-Resistenz-Genen (1&2) und einem ori(3).
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Abb. 3: Vergleich von nicht integrierenden Plasmiden (oben)
und Episomen (unten).
(1) Chromosomale DNS. (2) Plasmide.(3) Zellteilung.
(4) Chromosomale DNS mit integrierten Plasmiden.
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Abb. 4: Schematische Darstellung bakterieller Konjugation.
(1) Chromosomale DNS. (2) Plasmide.
Plasmide sind ringförmige DNS-Moleküle, die nicht zur chromosomalen DNS gehören (Abb. 1). Sie kommen gewöhnlich in Bakterien vor, manchmal auch in Eukaryonten (z.B. als 2-Mikrometer-Ring in Saccharomyces cereviesiae). Ihre Größe beträgt zwischen 1 und 250 kbp1 (tausend Basenpaare).
Plasmide enthalten normalerweise ein oder zwei Gene, die für das Wirtsbakterium einen selektiven Vorteil, wie zum Beispiel eine Antibiotika-Resistenz, bedeuten. Jedes Plasmid enthält mindestens eine DNS-Sequenz, die als Origin of Replication (Startpunkt der DNS-Replikation) oder ori dient. Hierdurch kann das Plasmid unabhängig von der chromosomalen DNS dupliziert werden (Abb. 2).
Episome sind Plasmide, die sich in die chromosomale DNS des Wirtsorganismus integrieren können (Abb. 3). Daher können sie für eine lange Zeit stabil bleiben, werden mit jeder Zellteilung des Wirts verdoppelt und können sogar zu einem integralen Bestandteil seiner DNS werden.
Arten von Plasmiden
Es gibt zwei grundlegende Gruppen von Plasmiden, konjugierende und nicht-konjugierende. Konjugierende Plasmide enthalten ein so genanntes tra-Gen, das die Konjugation, den sexuellen Austausch von Plasmiden zwischen zwei Bakterien, auslösen kann (Abb. 4). Nicht-konjugierende Plasmide haben diese Fähigkeit nicht, sie können zusammen mit konjugierenden Plasmiden während der Konjugation übertragen werden.
Verschiedene Plasmidtypen können nebeneinander in ein und derselben Zelle existieren, in E. coli z.B. bis zu sieben. Sind zwei Plasmide zueinander inkompatibel, wird eines von ihnen zerstört. Abhängig von der Fähigkeit, nebeneinander in derselben Zelle zu existieren, können sie also in Inkompatiblitätsgruppen eingeteilt werden, .
Die Klassifikation von Plasmiden kann durch ihre Funktion erfolgen. Man unterscheidet hier zwischen fünf Hauptklassen:
- Fruchtbarkeits-(F)Plasmiden, die nur tra-Gene enthalten. Ihre einzige Funktion ist die Einleitung der Konjugation.
- Resistenz-(R-)Plasmiden, die Resistenzgene gegen Antibiotika oder Gifte enthalten.
- Col-Plasmiden, die Gene enthalten, die für Colicine (Proteine, die andere Bakterien töten können) kodieren (d.h.: deren Bauanleitung enthalten).
- Degradations-Plasmiden, die den Abbau von ungewöhnlichen Substanzen, wie z.B. von Toluol oder Salizylsäure ermöglichen.
- Virulenz-Plasmiden, die ein Bakterium zu einem Krankheitserreger machen.
Verwendung
Plasmide sind wichtige Werkzeuge in genetischen und biochemischen Laboratorien, wo sie benutzt werden, um bestimmte Gene zu vervielfältigen oder zu exprimieren3. Viele der für diese Zwecke eingesetzten Plasmide sind kommerziell erhältlich. Zunächst wird das zu vervielfältigende Gen in Plasmide eingefügt, die zusätzlich über ein Gen mit einer Antibiotika-Resistenz verfügen. Dann werden diese Plasmide in Bakterien eingebracht, die auf einem mit dem entsprechenden Antibiotikum behandelten Nährmedium wachsen. Es werden also nur die Bakterien überleben, die das resistent machende Plasmid und damit auch das gewünschte Gen enthalten. Bakterien, die das Plasmid nicht aufgenommen haben, sterben durch das Antibiotikum ab. So wirkt das Antibiotikum als ein Filter, der nur die Bakterien mit dem gewünschten Gen überleben lässt. Dies ist eine einfache und preiswerte Methode, um Gene oder deren Proteine in großen Mengen herzustellen - beispielsweise Insulin oder sogar Antibiotika.
1 DNS ist doppelsträngig, ihre Länge wird daher in komplementären Bausteinen oder Basenpaaren gemessen.
2 Eine kurze, filamentöse Struktur bei konjugierenden Bakterien, die für den DNS-Austausch benutzt wird.
3 Ein Gen zu exprimieren bedeutet, das Protein herzustellen, für welches das Gen kodiert.