Bedeutung in Forschung und Medizin

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Bereits ESCHERICH beobachtete die morphologische Vielfalt der Kolonieformen dieser Bakterien. Noch zahlreicher sind die serologischen Varianten. In der medizinischen Mikrobiologie ist die Serologie ein klassisches Keimdifferenzierungsverfahren. Die serologische Einteilung der unterschiedlichen E.-coli-Stämme wird durch die Serotypisierung ihrer O-, K- und H-Antigene möglich. O-Antigene stellen dabei hitzestabile Bestandteile des Lipopolysaccharid-Komplexes (LPS) der äußeren Zellmembran, K-Antigene Polysaccharide der Kapsel und H-Antigene Geißel- oder Flagellenantigene dar [Abb. 5]. Fimbrien Ribosomen Chromosom Plasmid Cytoplasma Flagellen (H-Serotyp) Kapsel (K-Serotyp) Zellwandaufbau (O-Serotyp) Nach HACKER und KRUIS (1998) könnten rund 50.000 unterschiedliche Serovare in der Natur vorkommen, die sich aus der Kombination verschiedener Antigenstrukturen ergeben. Bisher sind 173 Oberflächen-(O-), 80 Kapsel- (K-) und 56 Geißel-(H-)Antigene bei E. coli bekannt. Zudem gibt es noch mehr als 100 Adhäsin-Varianten, die weitere Unterschiede im serologischen Verhalten bedingen und Unterschiede in der Rezeptorerkennung aufweisen. n n n n Periplasma Lipopolysaccharid innere äußere (LPS) Membran Abb. 5 Schematischer Längsschnitt und Zellwandaufbau einer gramnegativen E.-coli-Zelle (hier: E. coli vom Serotyp O6:K5:H1) E. coli K-12: Das beliebteste „Versuchstier“ der Molekulargenetiker (ARBER, 1982) Es war reiner Zufall, dass 1922 aus dem Stuhl eines an Diphtherie erkrankten Patienten eine E.-coli-Variante isoliert wurde, die wegen ihrer völligen Harmlosigkeit auffiel und mit der Laborbezeichnung „K-12“ einen Platz in der bakteriologischen Stammsammlung der Medical School der Stanford- University in Kalifornien fand. Bereits im zweiten Drittel des vergangenen Jahrhunderts suchten Genforscher mit der Absicht, die Frage zu beantworten: „Wie funktionieren Gene und wie kontrollieren sie spezifische Merkmale?“ nach Studienobjekten, die leicht und schnell und in unbegrenzter Menge zu züchten waren, und die zudem geeignet waren, genetische Veränderungen anhand phänotypischer Ausprägungen offenzulegen. So fand die K-12-Variante von E. coli das besondere Interesse eines amerikanischen Forscherteams um J. LEDERBERG und E. TATUM (1946). Als dann bei diesem E. coli K-12 parasexuelle Vorgänge – d.h. die Fähigkeit des Austausches genetischen Materials zwischen zwei Bakterienzellen – entdeckt wurden, war die Basis für die Durchführbarkeit von experimentellen Genaustauschen gegeben, und E. coli K-12 avancierte zum Standardobjekt der Mikrobengenetiker und Molekularbiologen. Ähnlich wie die klassischen Tier- und Pflanzenzüchter suchten auch die Mikrobiologen unter ihrem „Haustier“ E. coli nach neuen Stämmen. Mit Hilfe von Röntgen- und UV-Strahlen führten sie verschiedene Mutationen in den K-12- “Wildstamm“ ein. Sehr bald wurde mit dem Ausgangsstamm und den daraus hergestellten Varianten in vielen Laboratorien weltweit gearbeitet. Diese Stämme weisen Veränderungen in den verschiedensten Genen auf, sie tragen z.B. Merkmale für Auxotrophien (Stämme mit zusätzlichen Nährstoffbedürfnissen), Resistenzen und andere Mutationen. Als Sicherheitsmaßnahme wurden diese Mutantenstämme so verändert, dass sie – keine Adhäsionsorganellen (Fimbrien) haben, um den Darm zu besiedeln, – fremde Plasmide ohne die Möglichkeit der Weitergabe an artfremde Zellen zuverlässig aufnehmen können, – in der freien Natur nicht überlebensfähig sind, und – UV- und Chemikalien-empfindlich sind. 12 13
Unterdessen sind schätzungsweise mehr als 3000 verschiedene Mutanten von E. coli K-12 bekannt, mit deren Hilfe grundlegende Erkenntnisse zur Biochemie und Zellphysiologie, zur Genregulation und zum Gentransport erhalten wurden. Einer der ersten Bakterienstämme, dessen Genom vollständig sequenziert wurde, war folgerichtig ein E. coli K-12-Stamm (MG 1655) (BLATTNER et al., 1997). Die erste genetische Karte des E. coli K-12-Genoms wurde bereits im Jahr 1964 u.a. mit Hilfe von Restriktionsenzymen, die Stränge der DNA an spezifischen Basensequenzen schneiden, erstellt (TAYLOR & THOMAN, 1964). Während auf ihr 99 Gene vermerkt waren, wies die Genkarte aus dem Jahr 1990 schon 1403 Gene auf (BACHMANN, 1990). Die 1997 veröffentlichte vollständige Genomsequenz des E. coli K-12-Stammes ergab etwa 4300 Gene [Abb. 6]. Mit einer Größe von 4,7 x 10 6 Basenpaaren ist das Genom von E. coli K-12 um den Faktor 1000 kleiner als das menschliche Genom. Die Bedeutung von Escherichia coli für den internationalen Wissenschaftsfortschritt wird auch dadurch unterstrichen, dass in den letzten 50 Jahren 14 Nobelpreise für Arbeiten an und mit E. coli vergeben wurden. Abb. 6 Genom E. coli K-12 (MG1655), Größe 4,7 x 10 6 Basenpaare (BLUM-OEHLER, 2001). E. coli in der Biotechnologie Im Laufe der immer genaueren Charakterisierung des Genoms von E. coli erschlossen sich mit gentechnisch veränderten E.-coli-Bakterien vielfältige Anwendungsgebiete. S. COHEN und H. BOYER zeigten 1973, wie man menschliches Insulin mit Hilfe eines gentechnisch veränderten E.-coli-Stammes herstellen kann. Der modernen Gen- und Biotechnologie gelang es nun, rekombinante Arzneimittel herzustellen. Dabei wird das Gen für ein menschliches Protein in das Erbgut der Bakterien eingeschleust, die anschließend dieses Eiweiß herstellen [Abb. 7]. Wie Fremdgene in E. coli eingeschleust werden DNA Menschliche Zelle Restriktionsenzyme Ligase DNA E.-coli-Zelle Abb. 7 Aus einer menschlichen Zelle wird die DNA isoliert. Mit Restriktionsenzymen („molekulare Scheren“) wird ein DNA-Fragment mit dem gesuchten Gen ausgeschnitten und mit Hilfe von Ligasen in einen ebenfalls aufgeschnittenen DNA-Plasmidring von E. coli eingeführt. Nach Einschleusung dieses Konstrukts in die E.-coli-Zelle enthält das Genom nun z. B. die genetische Information für das menschliche Hormon Insulin. Artfremde Proteine, die in Bakterien exprimiert werden, nennt man rekombinante Proteine. 14 15
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