MikiE: Kapitel 4: Der richtige Bauplan

Nun beginnt die Suche nach deinem Wunschenzym. Um viel Enzym für den Prozess zu produzieren, brauchst du den "Bauplan" für euer Enzym: das Gen.

Prozess vom Gen zum Protein: Transkription und Translation — Vom Gen zum Enzym von Dr. Christin Burkhardt (CC BY-SA)

Dafür muss die DNA aus den Mikroorganismen isoliert werden und dann wird geschaut, auf welchem kleinen Abschnitt der sehr großen DNA der Bauplan hinterlegt ist. Hierfür gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: Das sequenzbasierte und das aktivitätsbasierte Screening.

Sequenzbasiertes Screening

Da die Sequenzierung von DNA immer schneller und günstiger wird, werden mittlerweile ganze Genome (die gesamte Erbinformation eines Organismus) oder Metagenome (die gesamte Erbinformation von Organismen einer Umweltprobe oder nach einer Anreicherung) sequenziert. Das heißt der gesamte genetische Code wird entschlüsselt. Durch Computerprogramme wird dieser Code anschließend ausgewertet. So können Gengrenzen in der DNA-Sequenz und die Funktion der daraus resultierenden Proteine vorhergesagt werden. Mit einer Gensequenz, die für eine bereits bekannte Lipase kodiert, können anschließend ähnliche Sequenzen in den unbekannten Sequenzierungsdaten der Umweltprobe oder Anreicherung gesucht werden.

Ablauf und Auswertung der Sequenzierung — Sequenzbasiertes Screening.png von Dr. Christin Burkhardt (CC BY-SA)

Aktivitätsbasiertes Screening

Man kann auch direkt in der isolierten DNA einer Umweltprobe oder Anreicherung nach Abschnitten suchen, die für eine Lipase kodieren. Um in der großen Menge an DNA mit sehr vielen unterschiedlichen Informationen das gewünschte Gen zu finden, wird eine sogenannte Genbank erstellt. Hierfür wird die DNA zunächst in Fragmente zerkleinert. Die DNA-Fragmente werden anschließend in ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide, eingebracht. Diesen Vorgang nennen wir Ligation. Jedes der erzeugten Plasmide enthält im Optimalfall ein anderes Stück DNA. Um die auf den DNA-Fragmenten enthaltenen Informationen in Proteine umzuwandeln, werden die fertigen Plasmide in speziell dafür entwickelte Bakterien eingebracht. Diesen Schritt nennen wir Transformation. Die Bakterien werden anschließend auf festem Nährmedium verteilt und kultiviert. Dabei teilen sich die Bakterien, sodass kleine Zellhaufen entstehen, die wir Kolonien nennen. Jede Kolonie enthält idealerweise ein Plasmid mit einem anderen DNA-Fragment. Unsere Genbank ist fertig!

Erstelle eine Genbank von Dr. Christin Burkhardt (CC BY-SA)

Jetzt wird es spannend: Nun kommen wir zum eigentlichen aktivitätsbasierten Screening. Wir müssen nun die Kolonie ausfindig machen, die unser gewünschtes Enzym produziert. Diese Bakterien enthalten auf dem Plasmid auch den Bauplan des Enzyms, also das Gen. Für den Nachweis von Enzymaktivitäten auf Kulturplatten gibt es verschiedene Methoden. Zum Nachweis von fett-spaltenden Enzymen, wie Lipasen und Esterasen, wird dem Nährmedium Tributyrin zugefügt. Da Tributyrin wasserunlöslich ist, wird die Kulturplatte milchig trüb. Durch lipolytische Aktivität von Enzymen wird das Tributyrin in die wasserlöslichen Produkte Glycerin und Buttersäure gespalten. Die Kulturplatten werden an diesen Stellen klar und durchsichtig. Bakterienkolonien, die eine Lipase oder Esterase produzieren, weisen daher einen durchsichtigen Bereich um die Kolonie auf. Diesen Bereich nennen wir Halo.

Bilder imm Vergleich: Mit und ohne Lipaseaktivität — Nachweis von Lipaseaktivität von Dr. Christin Burkhardt & Dr. Carola Schröder (CC BY-SA)

Wenn du tiefer in das aktivitätsbasierte Screening einsteigen möchtest, schau doch mal in unser Wiki!

Sequenzbasiertes vs. aktivitätsbasiertes Screening von Dr. Christin Burkhardt (CC BY-SA)

Mit dem richtigen Gen können wir jetzt ganz viel von unserem Enzym produzieren lassen. Wie das geht, erfährst du im nächsten Kapitel.