Transformation und Transfektion sind Kerntechniken zum Einbringen fremder DNA in Zellen. Sie sind die Grundlage der rekombinanten Proteinproduktion, Gentherapie, funktionellen Genomik und synthetischen Biologie.

Bakterielle Transformation

Transformation ist die Aufnahme exogener DNA durch Bakterienzellen. Die meisten Laborstämme von Escherichia coli sind nicht natürlicherweise kompetent und müssen künstlich kompetent gemacht werden.

Chemische Transformation verwendet Calciumchlorid (CaCl₂)-Behandlung, um die bakterielle Zellmembran für DNA durchlässig zu machen. Die Zellen werden mit der DNA auf Eis inkubiert, bei 42 °C für 45–90 Sekunden einem Hitzeschock ausgesetzt und dann zurück auf Eis gegeben. Ein kurzes Auswachsen in nicht-selektivem Medium ermöglicht die Expression des Antibiotikaresistenzmarkers vor dem Ausplattieren auf Selektivagar. Die chemische Transformation ergibt typischerweise 10⁶–10⁸ koloniebildende Einheiten pro Mikrogramm Plasmid-DNA.

Elektrokompetente Zellen werden durch Waschen von Bakterien in der Log-Phase mit eiskaltem 10% Glycerol zur Entfernung von Ionen hergestellt. Ein kurzer Hochspannungspuls (1,5–2,5 kV) poriert vorübergehend die Zellmembran und ermöglicht den DNA-Eintritt. Die Elektroporation ergibt 10⁹–10¹⁰ KBE/µg für kleine Plasmide und funktioniert mit Ligationsprodukten und größeren Konstrukten.

Transfektion eukaryotischer Zellen

Die Transfektion bringt DNA in Säugetier- oder Insektenzellen ein. Der Begriff unterscheidet sie von der Transformation, die sich auf die bakterielle Aufnahme bezieht.

• Lipid-vermittelte Transfektion: kationische Lipide bilden Liposomen, die die DNA einkapseln und mit der Zellmembran fusionieren. Diese Methode ist effizient für die meisten adhärenten Zelllinien (HeLa, HEK 293), aber toxisch für einige primäre Zellen.
• Calciumphosphat-Co-Präzipitation: DNA bildet mit Calciumphosphat einen Niederschlag, der sich auf Zellen absetzt und durch Endozytose aufgenommen wird. Sie ist kostengünstig, aber weniger effizient und erfordert sorgfältige pH-Kontrolle.
• Elektroporation: wie bei Bakterien poriert ein kurzer elektrischer Puls die Membran. Sie funktioniert für schwer transfizierbare Zellen (primäre Zellen, Suspensionszellen), verursacht aber signifikanten Zelltod.
• Virale Transduktion: unter Verwendung modifizierter Lentiviren, Retroviren oder Adeno-assoziierter Viren (AAV) zur Lieferung von genetischem Material. Dies ist die effizienteste Methode für primäre Zellen und für stabile Integration in das Genom.

Stabile vs. transiente Transfektion

Die transiente Transfektion produziert Expression für 2–7 Tage, da das Plasmid episomal verbleibt. Die stabile Transfektion verwendet einen selektierbaren Marker (z. B. Puromycin, G418, Hygromycin), um Zellen zu selektieren, die die DNA in ihr Genom integriert haben, und erzeugt permanente Zelllinien.