So funktioniert eine Klonierung

Die Klonierung ist eine Methode, bei der bestimmte DNA-Abschnitte aus einem Organismus isoliert und in ein fremdes DNA-Molekül integriert werden, um sie dann mithilfe von Wirtszellen zu vervielfältigen. Das Ziel dieser Methode ist, den DNA-Abschnitt zu untersuchen oder ihn in weiteren Prozessen einzusetzen - zum Beispiel um Insulin herzustellen.

Insulin für Diabetiker wird im Labor hergestellt.

Insulin für Diabetiker wird im Labor hergestellt. Bild: WojtekD/Shutterstock.com

Bei der Klonierung wird fremde DNA in eine Wirtszelle eingeführt

Die Klonierung gehört zu den Standardmethoden im Labor und wird in der Biochemie und Biotechnologie angewandt, um Proteine zu untersuchen oder sie für medizinische Zwecke zu produzieren.

Es gibt verschiedene Methoden ein Gen zu klonieren. Am Beispiel des Gens, das für das menschliche Proteohormon Insulin kodiert, wollen wir die einzelnen Schritte einer Klonierung nachvollziehen. Zusammengefasst wird dabei DNA aus menschlichen Zellen isoliert und ein bestimmter DNA-Abschnitt davon (hier das Insulin-Gen) vervielfältigt. Das Gen wird in ein bakterielles, ringförmiges DNA-Molekül eingeführt und danach in Bakterien eingeschleust. Die Bakterien können dann das Gen ablesen und das entsprechende Protein produzieren. Das Protein wird aus den Bakterienzellen isoliert und als Arzneimittel eingesetzt oder weiter untersucht.

DNA isolieren

Zuerst wird die gesamte DNA aus einer Zellkultur (z.B. von der Mundschleimhaut) isoliert.

Hier kannst du selber DNA aus Tomaten isolieren.

Gen vervielfältigen und schneiden

Um aus der gesamten DNA nur das gewünschte DNA-Fragment zu erhalten (in unserem Beispiel das Insulin-Gen), wird die PCR-Methode eingesetzt. Dabei wird erstens das gewünschte Gen gezielt vervielfältigt und zweitens an beiden Enden des Gens eine zusätzliche kurze DNA-Sequenz angehängt. Die zusätzlichen Enden am Gen werden von einem bestimmten Restriktionsenzym erkannt, welches die Enden auf eine bestimmte Weise schneidet. Wozu das wichtig ist, sehen wir gleich.

Klonierung am Beispiel von Insulin.

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Bakterien und ihr Ring

Bakterien besitzen neben ihrer chromosomalen DNA kleine DNA-Ringe, sogenannte Plasmide. Diese Plasmid-DNA wird isoliert und mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnitten wie das Insulin-Gen. Dadurch können die Enden der zwei DNA-Stücke (also des nun offenen Plasmids und des Insulin-Gens) miteinander verbunden werden, da ihre Enden zusammenpassen. Das Enzym Ligase ist für das Zusammenkleben der Enden zuständig.

Transformation

Das Plasmid mit dem eingebauten Insulin-Gen wird nun in einem kleinen Behälter mit Bakterienzellen vermischt. Die Bakterien werden mit Hitze oder Strom behandelt, was sie dazu veranlasst, das Plasmid aufzunehmen. Dieser Schritt wird Transformation genannt.

Selektion

Wie kann man aber die Bakterien, die das Plasmid tatsächlich aufgenommen haben, von Bakterien unterscheiden, die das Plasmid trotz Hitze- oder Strombehandlung nicht aufgenommen haben? Sie sind ja alle im gleichen Behälter. Dazu bedienen sich Wissenschaftler eines Tricks. Bevor sie das Insulin-Gen ins Plasmid eingefügt haben, haben sie dem Plasmid ein anderes Gen eingefügt, das den Bakterien eine Antibiotikaresistenz verleiht. Alle Bakterien, die dieses Plasmid aufnehmen, sind somit gegen ein bestimmtes Antibiotikum resistent. Bekommen also die Bakterien nach der Transformation dieses Antibiotikum, überleben nur diejenigen, die das Plasmid aufgenommen haben. Diese Bakterien besitzen aber auch das Insulin-Gen, da es sich im gleichen Plasmid wie die Antibiotikaresistenz befindet.

Bakterien als Insulin-Fabriken

Die resistenten Bakterien lesen nun das Insulin-Gen ab und produzieren das Protein Insulin. Dieses wird aus der Bakterienkultur isoliert, gereinigt und als Arzneimittel eingesetzt. Da Bakterien genügsam sind und sich schnell vermehren, können so grosse Mengen Insulin relativ einfach hergestellt werden.

Klonieren ist nicht gleich Klonen. Beim Klonen werden ganze genetisch identische Organismen erzeugt.

Mehr zu diesem Thema findest du im Biotech Lerncenter von Interpharma.

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