Bakterielle Genetik

IMPP-Score: 0.6

Genetischer Austausch bei Bakterien: Konjugation, Transduktion und Plasmide

In dieser Lerneinheit tauchen wir tief in die Welt der bakteriellen Genetik ein, speziell in die Mechanismen, durch die Bakterien genetisches Material austauschen. Diese Prozesse sind zentral für die Evolution von Bakterien, ihre Anpassungsfähigkeit und die Verbreitung von Resistenzen gegen Antibiotika.

Konjugation: DNA-Transfer durch direkten Kontakt

Die Konjugation ist ein Prozess, bei dem genetisches Material direkt von einer Bakterienzelle zur anderen übertragen wird. Dies geschieht durch die Bildung einer physischen Verbindung zwischen zwei Bakterienzellen mittels Strukturen, die als F-Pili oder Sexpili bekannt sind.

Überblick über die Konjugation1

Der Fertilitätsfaktor (F-Faktor)

Der Schlüsselakteur in diesem Prozess ist der Fertilitätsfaktor, auch F-Faktor genannt. Dies ist ein spezielles Plasmid, das die für die Bildung der F-Pili erforderlichen Gene trägt. Bakterien mit dem F-Faktor werden als F+ bezeichnet; solche ohne als F–.

Wichtig fürs IMPP

Es ist wichtig, zu verstehen, dass das F-Plasmid sowohl autonom existieren als auch in das Bakterienchromosom integriert sein kann. Im letzteren Fall spricht man von Hfr-Stämmen, die bei der Konjugation häufig Chromosomenteile an F– Bakterien übertragen.

Beispiel: Escherichia coli und Hfr-Stämme

Bei Escherichia coli zeigen Hfr-Stämme, bei denen der F-Faktor ins Chromosom integriert ist, eine hohe Frequenz der Rekombination. Dies führt dazu, dass während der Konjugation chromosomale DNA vom Hfr-Stamm zum F– Rezipienten transferiert wird, allerdings oft ohne den kompletten Transfer des F-Plasmids.

Transduktion: DNA-Transfer durch Bakteriophagen

Transduktion ist der Prozess, bei dem DNA von einer Bakterienzelle zur anderen durch Viren, die als Bakteriophagen bekannt sind, übertragen wird. Dabei wird bakterielle DNA irrtümlich durch Phagen aufgenommen und in andere Bakterien eingebracht.

Mechanismus der Transduktion.2

Lysogene Konversion und Bakteriophagen

Einige Bakteriophagen sind temperent und können ihre DNA in das Bakteriengenom einbauen, was zu einer sogenannten lysogenen Konversion führt. Dies kann das Bakterium verändern und z.B. die Produktion von Toxinen wie bei Diphtherie und Scharlach ermöglichen.

Wichtig fürs IMPP

Transduktion kann zur Übertragung von Toxin-Genen führen. Ein Verständnis der lysogenen Konversion und ihrer Folgen für die Bakterienpathogenität ist daher für die IMPP-Fragen wesentlich.

Bedeutung von Plasmiden und Bakteriophagen

Plasmide und Bakteriophagen spielen eine fundamentale Rolle in der Übertragung von Antibiotikaresistenzen und anderen pathogenen Eigenschaften. Durch Mechanismen wie Konjugation und Transduktion tragen sie zur genetischen Diversität und zur Verbreitung von Resistenzgenen bei.

Übertragungswege

Verschiedene Plasmide, insbesondere solche, die Resistenzgene tragen, können zwischen Bakterienzellen durch Konjugation oder durch bakteriophagenvermittelte Transduktion ausgetauscht werden.

Praxisbeispiel

Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Übertragung von Plasmiden, die Antibiotikaresistenzen tragen, zwischen unterschiedlichen Bakterienstämmen im Krankenhausumfeld. Solche Ereignisse können zu schwer behandelbaren Infektionen führen.

Zusammenfassung

  • Konjugation ist der Prozess des DNA-Transfers zwischen Bakterien durch direkten Kontakt, vermittels F-Pili, gesteuert durch ein Plasmid bekannt als F-Faktor.
  • Hfr-Stämme bei E. coli integrieren den F-Faktor in ihr Chromosom, was zu effizienter Übertragung chromosomaler DNA führt, aber oft ohne vollständigen Transfer des F-Plasmids.
  • Transduktion beschreibt den Transfer von DNA zwischen Bakterien durch Bakteriophagen, was gelegentlich zur versehentlichen Übertragung bakterieller DNA führt.
  • In einigen Fällen führt Transduktion durch temperente Phagen zur lysogenen Konversion, wodurch das Bakterium modifiziert wird und potenziell pathogene Eigenschaften wie Toxinproduktion entwickelt.
  • Plasmide spielen eine zentrale Rolle bei der Übertragung von Antibiotikaresistenzen und tragen entscheidend zur genetischen Vielfalt und Adaptationsfähigkeit von Bakterien bei.
  • Die Übertragung von Plasmiden zwischen unterschiedlichen Bakterienstämmen in klinischen Umgebungen kann zu schwer behandelbaren Infektionen führen und verdeutlicht die Bedeutung des Verständnisses dieser genetischen Mechanismen.

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Footnotes

  1. Credits Überblick über die Konjugation Grafik: Conjugation.svg: Adenosine derivative work: Matthias M., Konjugation, CC BY-SA 3.0↩︎

  2. Credits Mechanismus der Transduktion. Grafik: Reytan with modifications by Geni, Transduction (genetics)en, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎