Plasmid

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Bakteriums mit Plasmiden.
(1) Chromosomale DNA. (2) Plasmide.

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Plasmids mit
Antibiotika-Resistenz-Genen (1&2) und einem ori(3).

Abb. 3: Vergleich von nicht integrierenden Plasmiden (oben)
und Episomen (unten).
(1) Chromosomale DNA. (2) Plasmide.(3) Zellteilung.
(4) Chromosomale DNA mit integrierten Plasmiden.

Abb. 4: Schematische Darstellung bakterieller Konjugation.
(1) Chromosomale DNA. (2) Plasmide.

(3) Plasmabrücke^[1]

Plasmide sind kleine, zirkuläre DNA-Moleküle, die in Bakterienzellen vorkommen können, aber nicht zur eigentlichen DNA (Desoxyribonukleinsäure) des "Bakterienchromosoms" (Kernäquivalents) gehören (Abb. 1). Nur selten treten Plasmide auch in Eukaryoten auf (z.B. als 2-Mikrometer-Ring in Saccharomyces cerevisiae). Ihre Größe beträgt zwischen 1 und 250 kbp (tausend Basenpaaren)^[2].

Plasmide enthalten mehrere Gene. Vermitteln diese Gene z.B. eine Antibiotika-Resistenz, kann daraus für das Wirtsbakterium ein Selektionsvorteil resultieren. Jedes Plasmid enthält mindestens eine DNA-Sequenz, die als Origin of Replication (Startpunkt der DNA-Replikation) kurz ori dient. Hierdurch kann das Plasmid unabhängig von der chromosomalen DNA repliziert werden (Abb. 2). Plasmide sind somit selbstreplizierend (replicons).

Episome sind Plasmide, die sich in die chromosomale DNA des Wirtsorganismus integrieren können (Abb. 3). Dort können sie für lange Zeit verbleiben, werden dabei mit jeder Zellteilung des Wirts mit repliziert und können sogar zu einem integralen Bestandteil seiner DNA werden.

Klassifikation

Es gibt zwei grundlegende Gruppen von Plasmiden, konjugierende und nicht-konjugierende. Konjugierende Plasmide enthalten ein so genanntes tra-Gen, das die Konjugation, den parasexuellen 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 Escherichia 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. Es werden fünf Hauptklassen unterschieden:

Fruchtbarkeits-(F-)Plasmide (siehe F-Plasmid), die nur tra-Gene enthalten. Ihre einzige Funktion ist die Einleitung der Konjugation.
Resistenz-(R-)Plasmide, die Resistenzgene gegen Antibiotika oder Gifte enthalten.
Col-Plasmide, die Gene enthalten, die für Colicine (Proteine, die für andere Bakterien toxisch sind) kodieren (d.h.: deren Bauanleitung enthalten).
Degradations-Plasmide, die den Abbau von ungewöhnlichen Substanzen, wie z.B. von Toluol oder Salicylsäure ermöglichen.
Virulenz-Plasmide, die ein Bakterium zu einem Krankheitserreger machen.

Eine besondere Art von Plasmiden stellen die sog. Ti-Plasmide (Tumor inducing) dar. Sie sind oft ein Bestandteil von bestimmten Bakterien (Agrobacterium tumefaciens oder A. rhizogenes) und werden von diesen in Pflanzen übertragen. Dort verursachen sie die einzige bekannte Krebserkrankung in Pflanzen.

Verwendung

Plasmide sind wichtige Werkzeuge der Molekularbiologie, Genetik, Biochemie und anderer biologischer und medizinischer Bereiche. Sie werden dann als Vektoren bezeichnet und dazu benutzt, um Gene zu vervielfältigen oder zu exprimieren.

Viele der für diese Zwecke eingesetzten Plasmide sind kommerziell erhältlich. Sie leiten sich von den natürlich vorkommenden Plasmiden ab und beinhalten immer noch deren strukturelle Bestandteile wie den Replikationsursprung (origin of replication). Außerdem wurden sie so verändert, dass sie leicht für Klonierungen verwendet werden können: Das zu vervielfältigende Gen wird in Plasmide eingefügt, die 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 Plasmid mit der Information für die Resistenz und damit auch das gewünschte Gen enthalten. Bakterien, die das Plasmid nicht aufgenommen haben, sterben durch das Antibiotikum ab. So wirkt das Antibiotikum als Selektionsmarker, 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.

Soll ein DNA-Abschnitt auf einen Organismus (Bakterium, Pflanze, Tier, Mensch etc.) übertragen werden, können ebenfalls Plasmide als Überträger verwendet werden. Bei Tier und Mensch ist dieses Verfahren besonders bei Muskelzellen sehr erfolgreich, da derartige Zellen - im Gegensatz zu beispielsweise Nervenzellen - reine Plasmid-DNA aus der Umgebung aufnehmen. Wenn das für einen solchen Transfer vorgesehene Plasmid-Genmaterial noch zusätzlich in sogenannte Liposome verpackt wird, lässt sich die Transferrate deutlich erhöhen.

Visualisierung

Plasmide kann man durch geeignete Verfahren, z.B. durch Färbung mit Uran-Atomen (BAC-Spreitung), im Elektronenmikroskop sichtbar machen. Die Ringstruktur des Plasmids in Form einer um sich selbst gewundenen DNA hat dabei topologische Konsequenzen. Die Plasmide können in drei verschiedenen Gestaltformen vorliegen. Die Supercoil Form ist die natürliche Konformation des Plasmides. Da die DNA-Doppelhelix um sich selber gewunden ist und sich in einem geschlossenen Plasmid nicht entwinden kann, entsteht eine Torsionsspannung, wodurch sich das Plasmid im Raum um sich selber krümmt. (der gleiche Effekt ist bei Telefonschnüren zu beobachten, die sich um ihre eigene Achse festwinden). Bei der offenkettigen Form ist einer der beiden DNA-Stränge an einer Stelle gebrochen wodurch sich der offene Strang frei um den fixierten drehen kann, dadurch entspannt sich die Torsionspannung, das Plasmid liegt offen vor. Bei der linearen DNA sind beide Stränge gebrochen, die Kreisstruktur ist aufgehoben.

Anmerkungen

↑ Der DNA-Transfer erfolgt über eine Plasmabrücke. Für die Anheftung und Annäherung der Bakterien dient der Pilus, eine kurze, filamentöse Struktur.
↑ Plasmid-DNA ist doppelsträngig, ihre Länge wird daher in komplementären Bausteinen oder Basenpaaren gemessen.