Wissenschaftler müssen die DNA manipulieren, um Gene zu identifizieren, die Funktionsweise von Zellen zu untersuchen und zu verstehen und Proteine zu produzieren, die medizinische oder kommerzielle Bedeutung haben. Zu den wichtigsten Werkzeugen zur Manipulation von DNA gehören Restriktionsenzyme – Enzyme, die DNA an bestimmten Stellen schneiden. Durch die Inkubation von DNA zusammen mit Restriktionsenzymen können Wissenschaftler sie in Stücke schneiden, die später mit anderen DNA-Abschnitten "gespleißt" werden können.
Ursprünge
Restriktionsenzyme kommen in Bakterien vor, die sie als Waffe gegen Bakteriophagen einsetzen, Viren, die Bakterien infizieren. Wenn die virale DNA in die Zelle eindringt, wird sie von den Restriktionsenzymen in Stücke geschnitten. Diese Bakterien haben typischerweise auch andere Enzyme, die an bestimmten Stellen ihrer DNA chemische Modifikationen vornehmen; Diese Modifikationen schützen die Bakterien-DNA vor dem Zerhacken durch das Restriktionsenzym.
Restriktionsenzyme werden im Allgemeinen nach dem Bakterium benannt, aus dem sie isoliert wurden. HindII und HindIII stammen beispielsweise von einer Spezies namens Haemophilus influenzae.
Erkennungssequenzen
Jedes Restriktionsenzym hat eine hochspezifische Form, kann also nur an bestimmten Buchstabenfolgen im DNA-Code haften. Wenn seine "Erkennungssequenz" vorhanden ist, kann es an der DNA kleben und an dieser Stelle einen Schnitt machen. Das Restriktionsenzym Sac I hat zum Beispiel die Erkennungssequenz GAGCTC, so dass es überall dort schneidet, wo diese Sequenz auftritt. Wenn diese Sequenz an Dutzenden verschiedener Stellen im Genom vorkommt, wird sie an Dutzenden verschiedener Stellen geschnitten.
Besonderheit
Einige Erkennungssequenzen sind spezifischer als andere. Das Enzym HinfI zum Beispiel macht einen Schnitt in jeder Sequenz, die mit GA beginnt und mit TC endet und einen anderen Buchstaben in der Mitte hat. Sac I hingegen schneidet nur die Sequenz GAGCTC.
DNA ist doppelsträngig. Einige Restriktionsenzyme machen einen geraden Schnitt, der zwei doppelsträngige DNA-Stücke mit stumpfen Enden hinterlässt. Andere Enzyme machen "schräge" Schnitte, die jedes DNA-Stück mit einem kurzen einzelsträngigen Ende hinterlassen.
Spleißen
Wenn Sie zwei DNA-Stücke mit passenden klebrigen Enden nehmen und sie mit einem anderen Enzym namens Ligase inkubieren, können Sie sie miteinander verschmelzen oder spleißen. Diese Technik ist für Molekularbiologen sehr wichtig, da sie oft DNA nehmen und in Bakterien einbringen müssen, um Proteine wie Insulin herzustellen, die für medizinische Zwecke verwendet werden. Wenn sie die DNA aus einer Probe und einem Stück bakterieller DNA mit demselben Restriktionsenzym schneiden, werden sowohl die Bakterien DNA und Proben-DNA haben nun passende klebrige Enden, und der Biologe kann Ligase verwenden, um sie zusammenzuspleißen.