Konjugation (Biologie)
Unter bakterieller Konjugation versteht man die Übertragung von genetischem Material zwischen Bakterienzellen durch direkten Zell-zu-Zell-Kontakt oder durch eine brückenartige Verbindung zwischen zwei Zellen.
Konjugation ist ein Mechanismus des horizontalen Gentransfers, ebenso wie Transformation und Transduktion, obwohl diese beiden anderen Mechanismen keinen Zell-zu-Zell-Kontakt beinhalten.
Die bakterielle Konjugation wurde von den Nobelpreisträgern Joshua Lederberg und Edward Tatum entdeckt. Sie zeigten, dass das Bakterium Escherichia coli in eine sexuelle Phase eintrat, in der es genetische Informationen teilen konnte.
Die bakterielle Konjugation wird oft fälschlicherweise als das Äquivalent zur sexuellen Fortpflanzung angesehen, da sie den Austausch von genetischem Material beinhaltet. Während der Konjugation stellt die Spenderzelle ein konjugatives oder mobilisierbares genetisches Element zur Verfügung, bei dem es sich meist um ein Plasmid oder Transposon handelt. Die meisten konjugativen Plasmide verfügen über Systeme, die sicherstellen, dass die Empfängerzelle nicht bereits ein ähnliches Element enthält.
Die übertragene genetische Information ist für den Empfänger oft von Vorteil. Zu den Vorteilen können Antibiotikaresistenz, xenobiotische Toleranz oder die Fähigkeit zur Nutzung neuer Metaboliten gehören. Solche nützlichen Plasmide können als bakterielle Endosymbionten betrachtet werden. Andere Elemente können jedoch als bakterielle Parasiten betrachtet werden und die Konjugation als ein von ihnen entwickelter Mechanismus, der ihre Ausbreitung ermöglicht.
Mechanismus
Das grundlegende konjugative Plasmid ist das F-Plasmid oder der F-Faktor. Das F-Plasmid ist ein Episom (ein Plasmid, das sich in das Bakterienchromosom integrieren kann) mit einer Länge von etwa 100.000 Basenpaaren.
In einem bestimmten Bakterium kann es nur eine Kopie des F-Plasmids geben, entweder frei oder integriert, und Bakterien, die eine Kopie besitzen, werden als F-positiv oder F-plus (mit F+ bezeichnet) bezeichnet. Zellen, denen F-Plasmide fehlen, werden als F-negativ oder F-minus (F-) bezeichnet und können als Empfängerzellen fungieren.
Schematische Darstellung der bakteriellen Konjugation. Konjugationsdiagramm 1- Spenderzelle produziert Pilus. 2- Pilus heftet sich an die Empfängerzelle und bringt die beiden Zellen zusammen. 3- Das mobile Plasmid wird eingekerbt und ein einzelner DNA-Strang wird dann auf die Empfängerzelle übertragen. 4- Beide Zellen synthetisieren einen komplementären Strang, um ein doppelsträngiges kreisförmiges Plasmid zu produzieren und ebenfalls Pilus zu reproduzieren; beide Zellen sind nun lebensfähige Spender.
Inter-Königreich-Transfer
Die stickstofffixierenden Rhizobien sind ein interessanter Fall von Konjugation zwischen den Königreichen.
Zum Beispiel enthalten das tumorinduzierende (Ti) Plasmid von Agrobacterium und das wurzeltumorinduzierende (Ri) Plasmid von A. rhizogenes Gene, die in der Lage sind, auf Pflanzenzellen übertragen zu werden. Diese Gene verwandeln Pflanzenzellen in Fabriken, die Chemikalien produzieren, die von den Bakterien für Stickstoff und Energie verwendet werden. Infizierte Zellen bilden Kronengallen bzw. Wurzeltumore. Die Plasmide Ti und Ri sind also Endosymbionten der Bakterien, die ihrerseits Endosymbionten (oder Parasiten) der infizierten Pflanze sind.
Gentechnik
Konjugation ist ein bequemes Mittel, um genetisches Material auf eine Vielzahl von Zielen zu übertragen. In Labors wurde über erfolgreiche Transfers von Bakterien auf Hefe, Pflanzen, Säugetierzellen und isolierte Säugetiermitochondrien berichtet.
Die Konjugation hat Vorteile gegenüber anderen Formen des Gentransfers. Im Pflanzenbau ergänzt die Agrobakterium-ähnliche Konjugation andere Standardvehikel wie das Tabakmosaikvirus (TMV). Während das TMV in der Lage ist, viele Pflanzenfamilien zu infizieren, sind dies in erster Linie krautige Dikotyle. Agrobakterium-ähnliche Konjugation wird ebenfalls hauptsächlich für Dikotyle verwendet, aber monokotyle Empfänger sind nicht ungewöhnlich.
Fragen und Antworten
F: Was ist bakterielle Konjugation?
A: Bakterielle Konjugation ist die Übertragung von genetischem Material zwischen Bakterienzellen durch direkten Kontakt von Zelle zu Zelle oder durch eine brückenartige Verbindung zwischen zwei Zellen.
F: Was sind die anderen Mechanismen des horizontalen Gentransfers?
A: Die anderen Mechanismen des horizontalen Gentransfers sind die Transformation und die Transduktion, wobei diese beiden anderen Mechanismen keinen Zell-zu-Zell-Kontakt beinhalten.
F: Wer hat die bakterielle Konjugation entdeckt?
A: Die bakterielle Konjugation wurde von den Nobelpreisträgern Joshua Lederberg und Edward Tatum entdeckt.
F: Was haben Lederberg und Tatum über Escherichia coli während der Konjugation gezeigt?
A: Lederberg und Tatum zeigten, dass das Bakterium Escherichia coli in eine sexuelle Phase eintritt, in der es genetische Informationen austauschen kann.
F: Was liefert die Spenderzelle während der Konjugation?
A: Während der Konjugation stellt die Spenderzelle ein konjugatives oder mobilisierbares genetisches Element zur Verfügung, bei dem es sich meist um ein Plasmid oder Transposon handelt.
F: Welchen Nutzen haben die bei der Konjugation übertragenen genetischen Informationen?
A: Die bei der Konjugation übertragene genetische Information ist für den Empfänger oft von Vorteil. Zu den Vorteilen gehören Antibiotikaresistenz, Toleranz gegenüber Xenobiotika oder die Fähigkeit, neue Metaboliten zu nutzen.
F: Wie können einige Elemente, die während der Konjugation übertragen werden, betrachtet werden?
A: Andere Elemente, die während der Konjugation übertragen werden, können als bakterielle Parasiten betrachtet werden und die Konjugation als ein von ihnen entwickelter Mechanismus, der ihre Verbreitung ermöglicht.
