Quelle von Restriktionsenzymen

Seit der Entdeckung der Restriktionsenzyme hat sich das Gebiet der Molekularbiologie aufgrund der einzigartigen Fähigkeit dieser Proteine, DNA auf spezifische Weise zu spalten, rasant weiterentwickelt. Diese einfachen Enzyme haben die Forschung auf der ganzen Welt tiefgreifend beeinflusst; Seltsamerweise haben wir diese wissenschaftliche Gabe Bakterien zu verdanken.

Restriktionsenzyme, auch Restriktionsendonukleasen genannt, binden an DNA und spalten den Doppelstrang zu kleineren DNA-Stücken. Es gibt drei Arten von Restriktionsenzymen; Restriktionsenzyme vom Typ I erkennen eine DNA-Sequenz und schneiden den Strang zufällig mehr als tausend Basenpaare von der Stelle weg. Restriktionsenzyme vom Typ II, die für molekularbiologische Laboratorien am nützlichsten sind, erkennen und schneiden den DNA-Strang vorhersagbar an einer spezifischen Sequenz, die normalerweise weniger als zehn Basenpaare lang ist. Restriktionsenzyme vom Typ III ähneln Typ I, aber diese schneiden die DNA etwa dreißig Basenpaare von der Erkennungssequenz ab.

Bakterielle Spezies sind die Hauptquelle für kommerzielle Restriktionsenzyme. Diese Enzyme dienen dazu, die Bakterienzellen vor dem Eindringen fremder DNA zu schützen, wie zum Beispiel Nukleinsäuresequenzen, die von Viren verwendet werden, um sich in einer Wirtszelle zu replizieren. Grundsätzlich zerhackt das Enzym die DNA in viel kleinere Stücke, die für die Zelle keine Gefahr darstellen. Die Enzyme sind nach der Art und dem Stamm der Bakterien benannt, die sie produzieren. Zum Beispiel wird das erste aus dem Escherichia coli-Stamm RY13 extrahierte Restriktionsenzym EcoRI genannt, und das fünfte aus derselben Spezies extrahierte Enzym wird EcoRV genannt.

Die Verwendung von Typ-II-Restriktionsenzymen ist in Laboratorien auf der ganzen Welt nahezu universell. DNA-Moleküle sind extrem lang und schwer zu handhaben, insbesondere wenn ein Forscher nur an einem oder zwei Genen interessiert ist. Restriktionsenzyme ermöglichen es dem Wissenschaftler, die DNA zuverlässig in viel kleinere Portionen zu zerschneiden. Diese Fähigkeit, DNA zu manipulieren, hat den Fortschritt der Restriktionskartierung und des molekularen Klonens ermöglicht.

In einer Laborumgebung ist es äußerst hilfreich und praktisch, genau zu wissen, wo sich bestimmte Restriktionsstellen auf einem DNA-Strang befinden. Wenn die DNA-Sequenz bekannt ist, kann eine Restriktionskartierung durch einen Computer durchgeführt werden, der schnell alle möglichen Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme kartieren kann. Wenn die DNA-Sequenz nicht bekannt ist, kann ein Forscher dennoch eine allgemeine Karte erstellen, indem er verschiedene Enzyme allein und in Verbindung mit anderen Enzymen verwendet, um das Molekül zu spalten. Mittels deduktiver Argumentation kann die allgemeine Restriktionskarte erstellt werden. Beim Klonen von Genen ist es wichtig, eine Restriktionskarte zur Verfügung zu haben.

Molekulares Klonen ist eine Labortechnik, bei der ein Gen durch Restriktionsenzyme aus einem Ziel-DNA-Molekül geschnitten wird, das normalerweise aus einem Organismus extrahiert wird. Als nächstes wird das Gen in ein Molekül namens Vektor eingefügt, bei dem es sich normalerweise um kleine Stücke von zirkuläre DNA, sogenannte Plasmide, die so modifiziert wurden, dass sie mehrere Restriktionsenzym-Targets tragen Sequenzen. Der Vektor wird durch Restriktionsenzyme aufgespalten und anschließend wird das Gen in die zirkuläre DNA eingefügt. Ein Enzym namens DNA-Ligase kann dann den Kreis umformen, um das Zielgen einzuschließen. Sobald das Gen auf diese Weise „kloniert“ ist, kann der Vektor in eine Bakterienzelle eingefügt werden, damit das Gen Protein produzieren kann.