Definition: Was sind Plasmide?
Plasmide sind im Wesentlichen kleine, zirkuläre DNA-Moleküle, die sich unabhängig voneinander replizieren können. Als solche verlassen sie sich nicht auf chromosomale DNA des Organismus für die Replikation. Aufgrund dieser Eigenschaft werden sie auch als extra-chromosomale DNA bezeichnet.,
Obwohl das Molekül zuerst in einem Mitglied der Enterobacteriacae entdeckt wurde, haben Studien gezeigt, dass Plasmide natürlich in vielen Arten von Mikroorganismen auf der ganzen Welt vorkommen.,
* Obwohl es Debatten darüber gab, ob Plasmide zumindest unter Verwendung der vorgeschlagenen Virusdefinition als Mikroorganismen angesehen werden können, ist es erwähnenswert, dass der Begriff“ Plasmid “ weitgehend verwendet wird, um sich auf genetische Elemente zu beziehen, die außerhalb des Chromosoms (in der DNA des Organismus) existieren und unabhängig replizieren können.,
Plasmids can be found in:
- Bacteria
- Archaea
- Various eukaryotes (yeast and plants)
Structure
With regards to structure, plasmids are made up of circular double chains of DNA., Die kreisförmige Struktur von Plasmiden wird dadurch ermöglicht, dass die beiden Enden der Doppelstränge durch kovalente Bindungen verbunden sind. Die Moleküle sind auch klein, insbesondere im Vergleich zur DNA der Organismen, und messen zwischen einigen Kilobasen und mehreren hundert Kilobasen.
Obwohl eine gute Anzahl von Plasmiden eine kovalent geschlossene kreisförmige Struktur aufweist, haben einige Plasmide eine lineare Struktur und bilden keine kreisförmige Form.,
Im Allgemeinen bestehen Plasmide aus drei Hauptkomponenten:
Ursprung der Replikation (replicon) – Der Ursprung der Replikation (ori) bezieht sich auf einen bestimmten Ort in dem Strang, an dem die Replikation beginnt. Bei Plasmiden besteht dieser Ort größtenteils aus A-T-Basenpaaren, die sich während der Replikation leichter trennen lassen.,
Im Vergleich zur DNA der Organismen, die aus vielen Ursprüngen der Replikation besteht, haben Plasmide einen von wenigen Ursprüngen der Replikation, da sie kleiner sind. Am Ursprung der Replikation enthalten Plasmide auch eine Reihe regulatorischer Elemente, die zum Prozess beitragen (z. B. Rep – Proteine)
Polylinker (multiple cloning sites) – In Plasmid ist der Polylinker (MCS) einer der wichtigsten Teile des Moleküls. Dies liegt daran, dass die Schüler mehr über das Klonen lernen können., Grundsätzlich ist ein Polylinker eine kurze DNA-Sequenz, die aus einigen Stellen für die Spaltung durch Restriktionsenzyme besteht.
Als solches ermöglicht MCS eine einfache Insertion von DNA durch Ligation oder Restriktionsenzymverdauung. An der Stelle der Spaltung können verschiedene Polylinker den Strang schneiden. Daher kann eines der Restriktionsenzyme das Plasmid an bestimmten Punkten des Sire schneiden, um eine DNA-Insertion zu ermöglichen.
Antibiotikaresistenzgen – Das Antibiotikaresistenzgen ist einer der Hauptbestandteile von Plasmiden., Diese Gene spielen eine wichtige Rolle bei der Arzneimittelresistenz (gegen ein oder mehrere Antibiotika), wodurch die Behandlung einiger Krankheiten schwieriger wird.
Plasmide sind heute für ihre Fähigkeit bekannt, durch einen als Konjugation bekannten Prozess (Kontakt zwischen Zellen, auf den die Übertragung des DNA-Inhalts folgt) von einer Bakterienart auf eine andere zu übertragen. Dabei sind sie in der Lage, anderen Bakterienarten Antibiotikaresistenzeigenschaften zu verleihen.,
* Während die Plasmidreplikation einen zusätzlichen Vorteil für Bakterien bietet (Resistenz gegen bestimmte Antibiotika), wirkt sie sich aufgrund zusätzlicher Replikationslast auch auf die Zellteilung von Bakterien aus. Infolgedessen neigen Bakterien mit Plasmiden dazu, aufgrund einer verringerten Zellteilung von Bakterien ohne Plasmide bevölkert zu werden.,
Einige der anderen Komponenten von Plasmiden umfassen:
Eine Promotorregion – Dies ist die Komponente von Plasmiden, die an der Rekrutierung von Transkriptionsmaschinen beteiligt ist.
Primer Bindungsstelle – Dies ist eine kurze Sequenz von DNA auf einem einzelnen Strang, die typischerweise für die Zwecke der PCR-Amplifikation oder DNA-Sequenzierung verwendet wird.,
Obwohl Plasmide verschiedene allgemeine Merkmale aufweisen, gibt es verschiedene Typen.
Typen und Funktionen von Plasmiden
Auch als antimikrobielle Resistenzplasmide bezeichnet, sind Resistenzplasmide eine Art von Plasmiden, die Gene tragen, die eine wichtige Rolle bei der Antibiotikaresistenz spielen. Sie sind auch stark an der bakteriellen Konjugation beteiligt, indem sie Konjugationspili produzieren, die das R-Plasmid von einem Bakterium auf ein anderes übertragen.,
Resistenzplasmide sind in zwei Hauptgruppen unterteilt, darunter:
Schmal-Host-Range – Gruppe-Oft innerhalb einer einzigen Spezies repliziert.
Broad-host-range-group – Leicht-Transfer zwischen Bakterien-Arten. Es wurde gezeigt, dass diese Gruppe von Resistenzplasmiden eine Reihe von Antibiotikaresistenzgenen trägt., Nach der Übertragung von Antibiotikaresistenzgenen auf arzneimittelempfindliche Bakterien kann dies dazu führen, dass die Bakterien Resistenzen gegen eine Vielzahl von Arzneimitteln entwickeln.
Abbaubare Plasmide
Im Vergleich zu anderen Arten von Plasmiden ermöglichen abbaubare Plasmide dem Wirtsorganismus den Abbau/Abbau xenobiotischer Verbindungen., Xenobiotische Verbindungen, die auch als widerspenstige Substanzen bezeichnet werden, umfassen eine Reihe von Verbindungen, die aufgrund menschlicher Handlungen in die Umwelt freigesetzt werden und daher nicht natürlich vorkommen oder in der Natur üblich sind.
Wirte von abbaubaren Plasmiden finden sich in den Gruppen IncP-1, IncP-7 und IncP-9 und umfassen unter anderem Arten wie Ochrobactrum anthropi, Rhizobium sp, Burkholderia hospita, Escherichia coli und Pseudomonas fluorescens.,
Aufgrund der Fähigkeit des Wirts, xenobiotische Verbindungen abzubauen, haben Forscher versucht, die Plasmide zu verwenden, um verschiedene kontaminierende Substanzen in der Umwelt abzubauen. Da sich dies jedoch nicht als wirksam erwiesen hat, werden weiterhin Forschungsstudien durchgeführt, um zu bestimmen, wie verschiedene einheimische Bakterien (als Wirte abbaubarer Plasmide) zum Abbau solcher Verbindungen verwendet werden.,
Während abbaubare Plasmide zum Abbau xenobiotischer Verbindungen beitragen, variiert ihr Verhalten in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren wie der Fähigkeit zur Replikation und Stabilität. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass Plasmide, die in der IncP-1-Gruppe gefunden werden, nicht nur einen breiten Wirtsbereich, sondern auch eine hohe Übertragungsfrequenz haben.
Es wurde daher gezeigt, dass die Unterschiede im Verhalten verschiedener abbaubarer Plasmide zu unterschiedlichen Verhaltensweisen zwischen ihnen und ihren jeweiligen Wirten führen.,
* Die Verwendung biologisch abbaubarer Mikroorganismen zur Entfernung xenobiotischer Verbindungen aus kontaminierten Umgebungen wird als Bioaugmentation bezeichnet.
* Während IncP-1 Plasmide eine breite Palette von Hosts haben, hat sich gezeigt, dass IncP-7 einen engen Hostbereich hat. Außerdem hat IncP-9 einen mittleren Hostbereich.,
Fertility Plasmids
Like many other plasmids, fertility plasmids (F plasmid) have a circular structure and measures about 100 kb.,>
Einige der Hauptteile des F-Plasmids umfassen:
- Transponierbares Element (IS2, 1S3 und Tn1000)
- Replikationsstellen (RepFIA, RepFIB und RepFIC)
- Ursprung des konjugierenden Transfers (oirT)
- Ursprungsregionen der Replikation
F Plasmid spielt eine wichtige Rolle bei der Reproduktion, da sie Gene enthalten, die für die Produktion von Sexualhormonen codieren, sowie Enzyme, die für die Konjugation erforderlich sind., F Plasmid enthält auch Gene, die an ihrem eigenen Transfer beteiligt sind. Daher verstärken sie während der Konjugation ihren eigenen Transfer von einer Zelle zur anderen.
Während die Zellen, die die F-Plasmide verarbeiten, als Spender bezeichnet werden, sind diejenigen, denen dieser Faktor fehlt, die Empfänger. Andererseits sind die Plasmide, die die Fähigkeit der Wirtszelle verbessern, sich wie ein Spender zu verhalten, als Transferfaktor bekannt.,
Während der Konjugation bindet die Spenderzelle (Bakterien) mit Sex Pili (1-3 Sex pili) an ein spezifisches Protein auf der äußeren Membran des Empfängers und initiiert so den Paarungsprozess.
Nach der anfänglichen Bindung ziehen sich die Pili zurück und ermöglichen so die Bindung der beiden Zellen. Es folgt dann die Übertragung der DNA vom Spender auf den Empfänger und folglich die Übertragung des F-Plasmids. Infolgedessen erwirbt der Empfänger den F-Faktor und gewinnt die Fähigkeit, Sexualpilus zu produzieren, der an der Konjugation beteiligt ist.,
* Während der Konjugation wird nur DNA vom Spender an den Empfänger übergeben. Daher werden Zytoplasma und anderes Zellmaterial nicht übertragen.
* Sexuelle Pili sind winzige stabartige Strukturen, die es den F-positiven (Zellen mit dem F-Faktor) Bakterienzellen ermöglichen, sich an das F-negative (Zellen ohne Pili) Weibchen zu binden, um den konjugativen Transfer zu fördern.,
Col-Plasmide
Col-Plasmide verleihen Bakterien die Fähigkeit, toxische Proteine zu produzieren, die als Kolikine bekannt sind. Bakterien wie E. coli, Shigella und Salmonellen nutzen diese Toxine, um andere Bakterien abzutöten und so in ihrer jeweiligen Umgebung zu gedeihen.
Es gibt verschiedene Arten von Kolplasmiden, die verschiedene Arten von Kolikinen/Kolikinen produzieren. Einige Beispiele für Col-Plasmide umfassen Col B, Col E2 und E3., Ihre Unterschiede sind auch durch Unterschiede in ihrer Wirkungsweise gekennzeichnet.
Zum Beispiel, während Col B die Zellmembran anderer Bakterien schädigt (ohne Plasmid), hat sich gezeigt, dass Col E3 den Abbau der Nukleinsäuren der Zielzellen induziert.
Es wurde gezeigt, dass einige der Col-Plasmide wie Fruchtbarkeitsplasmide Elemente tragen, die ihre Übertragung von einer Zelle zur anderen verbessern., Daher können die Col-Plasmide durch Konjugation oder den Paarungsprozess, insbesondere für Zellen mit dem F-Faktor (Fertilitätsplasmide), von einer Zelle (Spender) auf eine andere (Empfänger) übertragen werden.
Dadurch erhält der Empfänger die Fähigkeit, Toxine zu produzieren, die das Wachstum der Zielbakterien, denen das Plasmid fehlt, abtöten oder hemmen.
* Kolikine/Kolikine gehören zu einer Gruppe von Toxinen, die als Bakteriocine bekannt sind.,
* Diese Toxine beeinflussen die Zielbakterien, indem sie unter anderem Prozesse wie DNA-Replikation, Translation und Energiestoffwechsel beeinflussen.
Virulenzplasmide
Im Vergleich zu anderen harmlosen Bakterien tragen Bakterien, die tendenziell pathogener Natur sind, Gene für Virulenzfaktoren, die es ihnen ermöglichen, in ihre jeweiligen Wirte einzudringen und diese zu infizieren.,
Für einige dieser Bakterien sind die Virulenzfaktoren das Ergebnis des eigenen genetischen Materials der Organismen. Für andere ist dies jedoch auf genetische Elemente aus extra-chromosomaler DNA zurückzuführen. Obwohl es andere Quellen für solche Elemente gibt, z. B. Transposons, sind Plasmide einige der häufigsten mobilen genetischen Elemente.
In Bezug auf die Pathogenität spielen Virulenzplasmide eine wichtige Rolle, da sie Bakterien dabei helfen können, sich effektiv an ihre jeweilige Umgebung anzupassen., Dies liegt daran, dass das Virulenzplasmid es dem Organismus ermöglichen kann, eine Reihe von virulenzassoziierten Funktionen auszudrücken, wodurch dem Organismus vorteilhaftere Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden, um in seiner Umgebung zu gedeihen.
Wie andere Arten von Plasmiden können auch Virulenzplasmide von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden. Es wurde gezeigt, dass Plasmide neben dem Virulenzgen auch andere wichtige Elemente tragen, die die Übertragung und Wartung verbessern.
Aus diesem Grund sind sie größer, aber zahlenmäßig niedrig., Dies stellt sicher, dass sie den Organismus während der Zellteilung nicht zusätzlich belasten.
Typischerweise erfordern Zellteilung und Zellpflege den Einsatz von Energie. Durch die geringe Anzahl von Virulenzplasmiden bleiben den Zellen erhebliche Stoffwechselbelastungen erspart, die für die Aufrechterhaltung und Genomverdopplung zahlreicher Plasmide erforderlich wären.,bakterien für Studien
Selbstmordplasmide-Scheitern zu replizieren, wenn sie von einer Zelle in eine andere übertragen werden
Plasmidvektor
Ein Vektor bezieht sich auf jedes Molekülstück, das genetisches Material enthält, das repliziert und exprimiert werden kann, wenn es in eine andere Zelle übertragen wird., Basierend auf dieser Definition kann man sehen, warum die Wörter „Vektor“ und „Plasmide“ manchmal vertauscht werden. Dies soll jedoch nicht heißen, dass alle Plasmide Vektoren sind.
Eines der Hauptmerkmale von Plasmidvektoren ist, dass sie klein sind. Abgesehen von ihrer Größe zeichnen sie sich durch einen Replikationsursprung, einen selektiven Marker sowie mehrere Klonstellen aus.
Die idealen Plasmidvektoren haben hohe Kopierzahlen in der Zelle. Als solches gewährleistet es eine hohe Anzahl des Zielgens für Klonzwecke., Dies stellt auch sicher, dass das Gen von Interesse während der genomischen Teilung erhöht wird. Zusätzlich kann das Plasmid ein Markergen als visuellen Marker haben, um festzustellen, ob das Klonen erfolgreich war.
Aufgrund ihrer mehreren Klonstellen haben sich Plasmide als einige der besten Vektoren für das Klonen erwiesen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es für Restriktionsenzyme möglich, verschiedene Bereiche des Plasmids zum Klonen zu spalten.,
Im Laufe der Jahre hat die Verwendung dieser Vektoren die Einführung rekombinanter DNA in Wirtszellen zu Studienzwecken ermöglicht. Zum Beispiel ist es Forschern durch diese Art des Klonens möglich geworden, das Genom einer Reihe von Arten zu sequenzieren, die Expression von Genen zu untersuchen und sogar verschiedene zelluläre Mechanismen zu beobachten.
* Während kleinere Plasmide lange DNA-Segmente tragen können, kann eine reduzierte Größe auch dazu beitragen, nicht essentielle Gene zu entfernen, die zum Klonen nicht erforderlich sind.,
Plasmidisolierung
Um gereinigte Plasmid-DNA für Verfahren wie Klonen, PCR und Transfektion zu erhalten, muss eine Plasmidisolierung durchgeführt werden. Der Prozess beinhaltet die Verwendung einer Reihe von Techniken, um die Plasmid-DNA aus Wirtszellen zu erhalten, um sie in der Molekularbiologie zu verwenden.,
Die Plasmidisolierung umfasst die folgenden Schritte:
Zellwachstum (Wachstum von Bakterienzellen) – Dies beinhaltet das Wachstum der Bakterien, die Plasmid in einer bestimmten geschüttelten Kultur enthalten. Hier können gegebene Antibiotika verwendet werden, um das Wachstum anderer unerwünschter Bakterien zu verhindern.
Zentrifugation – Auf das Bakterienwachstum folgt Zentrifugation, um die Zellen zu pelletieren., Sobald der Überstand entfernt wurde, kann die Isolierung von Plasmiden beginnen.
Eine der häufigsten Techniken zur Isolierung ist die klassische Methode, die manchmal als alkalische Lyse bezeichnet wird.,ded in einer isotonischen Lösung (Ethylendiamintetraacetat), die die Nukleaseaktivität verhindert
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Biljana Miljkovic-Selimovic et al., (2007). Bacterial Plasmids. Naoto Ogawa, Ananda M.
Chakrabarty and Olga Zaborina. (2004). Chapter 16 : Degradative Plasmids.
Luis A. Actis, Marcelo E. Tolmasky, and Jorge H. Crosa. (1999). Bacterial Plasmids: Replication of Extrachromosomal Genetic Elements Encoding Resistance to Antimicrobial Compounds.