Restriktionsenzyme: Funktion, Anwendung und Schutzmechanismen

Restriktionsenzyme sind funktionelle Proteine, die in Bakterien vorkommen. Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, und lebende Organismen verwenden Enzyme für eine Vielzahl von Zwecken. Insbesondere verwenden Bakterien Restriktionsenzyme, um DNA an bestimmten Stellen zu schneiden. Dies ist nützlich für die Bakterien, um sie vor Infektionen zu schützen. Wissenschaftler können jedoch auch die Funktion eines Restriktionsenzyms nutzen, und es gibt viele verschiedene Verwendungsmöglichkeiten für Restriktionsenzyme sowohl durch Bakterien als auch im Labor.

Schutz vor Infektionen

Bakterienarten verwenden Restriktionsenzyme, um sich vor fremder DNA zu schützen. Wenn ein Virus ein Bakterium infiziert, erklären Dr. Reginald Garrett und Charles Grisham in ihrem Buch „Biochemistry“, fügt es sein genetisches Material in die Bakterienzelle ein. Das genetische Material übernimmt dann die Genreplikationsmaschinerie der Bakterienzelle und zwingt das Bakterium, das Virus zu replizieren. Schließlich tötet das Virus die Zelle und entweicht in großer Zahl, um mehr Bakterienzellen zu infizieren. Restriktionsenzyme „beschränken“ buchstäblich die Fähigkeit des Virus, eine Bakterienzelle zu infizieren, indem sie virale DNA erkennen und zerstückeln, bevor sie die Zelle schädigen kann.

Einfügen von fremden Genen

Wissenschaftler nutzen einige von die Eigenschaften von Restriktionsenzymen im Labor. Spezifische Restriktionsenzyme, sogenannte Restriktionsendonukleasen, fügen DNA-Abschnitte in vorhandene DNA-Abschnitte ein und machen sie im Wesentlichen zu einem Teil des Genoms eines Organismus. Drs. Mary Campbell und Shawn Farrell erklären in ihrem Buch „Biochemistry“, dass biochemische Forscher mithilfe dieser Eigenschaft von Restriktionsendonukleasen bewirken können, dass Bakterienspezies nicht native Sequenzen in ihre DNA einbeziehen und nicht native Proteine produzieren. Forscher können zum Beispiel aus Escherichia coli-Bakterien das humane Insulinprotein herstellen, indem sie die DNA für das Protein in bakterielle Genome einfügen.

Restriktionskartierung

Wissenschaftler können mithilfe von Restriktionsenzymen auch Plasmide kartieren, Restriktionsabbildung genannt. Ein Plasmid ist ein Abschnitt der bakteriellen DNA, der nicht im größeren Genom oder der DNA-Sequenz enthalten ist. Bakterien können Plasmide hin und her transportieren, wodurch Gene innerhalb einer Bakterienpopulation verbreitet werden. Forscher wollen häufig Plasmide kartieren, um bestimmte Plasmide herzustellen, mit denen sie dann eine bestimmte DNA-Sequenz in eine Bakterienpopulation einfügen, erklären Dr. Campbell und Farrell.

Wissenschaftler können Restriktionsenzyme verwenden, um ein Plasmid in Stücke zu zerlegen und dann die Stücke testen, um die DNA-Sequenz von jedem zu bestimmen. Aus diesen Informationen erstellen sie die vollständige Sequenz der Plasmid-DNA.