Die Bakteriengenetik umfasst die Untersuchung von Genen, Genomen und Vererbung in Bakterien. Bakterien verfügen über eine bemerkenswerte genetische Plastizität, die es ihnen ermöglicht, sich durch Mutation und horizontale Gentransfermechanismen schnell an Umweltveränderungen anzupassen.
Organisation des Bakteriengenoms
Das Bakterienchromosom ist ein einzelnes, kreisförmiges doppelsträngiges DNA-Molekül mit einer Größe von typischerweise 0,5–10 MB, das in einer Nukleoidregion ohne Kernmembran organisiert ist – E. coli hat ein Genom von ca. 4,6 MB, das ca. 4.300 Gene kodiert. Plasmide sind kleine, zirkuläre, extrachromosomale DNA-Moleküle, die sich unabhängig voneinander replizieren und akzessorische Gene für Antibiotikaresistenz, Virulenzfaktoren und Stoffwechselfähigkeiten tragen. Transposons sind mobile genetische Elemente, die sich innerhalb oder zwischen DNA-Molekülen bewegen können und häufig Antibiotikaresistenzgene tragen.
Mutation in Bakterien
Punktmutationen sind Einzelbasensubstitutionen (Transition oder Transversion), die eine Aminosäure verändern (Missense), ein Stoppcodon erzeugen (Nonsense) oder keine Wirkung haben (Silent). Bei Frameshift-Mutationen handelt es sich um Insertionen oder Deletionen von Basen, die den Leserahmen verschieben und in der Regel ein nicht funktionsfähiges Protein erzeugen. Die Mutationsraten bei Bakterien liegen bei etwa 10⁻⁶ bis 10⁻⁹ pro Basenpaar und Generation, können aber unter Stress über die SOS-Reaktion ansteigen. Der Ames-Test verwendet Salmonella typhimurium-Mutanten zum Nachweis chemischer Mutagene.
Horizontaler Gentransfer
Bei der Transformation handelt es sich um die Aufnahme freier DNA aus der Umgebung durch kompetente Bakterienzellen; Natürliche Kompetenz kommt bei Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae und Neisseria gonorrhoeae vor. Konjugation ist die direkte Übertragung von DNA von Zelle zu Zelle über einen konjugativen Pilus, der durch das F-Plasmid (Fruchtbarkeit) in E kodiert wird. coli und kann Plasmide und chromosomale Gene zwischen verschiedenen Arten übertragen. Unter Transduktion versteht man die Übertragung bakterieller DNA durch Bakteriophagen. Bei der generalisierten Transduktion werden beliebige Chromosomenfragmente übertragen, während bei der spezialisierten Transduktion spezifische Gene benachbart zur Phagenintegrationsstelle übertragen werden.
Genregulation
Das lac-Operon in E. coli ist das klassische Modell der induzierbaren Genregulation, gesteuert durch das Lac-Repressor- und Katabolit-Aktivator-Protein (CAP). Das trp-Operon ist ein reprimierbares System, das durch den Tryptophanspiegel durch Abschwächung und den trp-Repressor reguliert wird. Quorum Sensing ermöglicht es Bakterien, die Genexpression als Reaktion auf die Populationsdichte mithilfe von Autoinduktionsmolekülen wie N-Acylhomoserinlactonen zu regulieren.
Anwendungen
Die Gentechnik nutzt bakterielle Plasmide und Restriktionsenzyme, um Gene zu klonen und rekombinante Proteine wie Insulin, Wachstumshormon und Impfstoffe herzustellen. Die Verfolgung von Antibiotikaresistenzgenen wird in klinischen und umweltbezogenen Umgebungen eingesetzt. CRISPR-Cas9, abgeleitet von der bakteriellen adaptiven Immunität, ist zu einem revolutionären Werkzeug für die Genombearbeitung geworden.
