Wie werden Restriktionsenzyme in der Biotechnologie verwendet?

Die biotechnologische Industrie verwendet Restriktionsenzyme, um DNA zu kartieren sowie sie für den Einsatz in der Gentechnik zu schneiden und zu spleißen. In Bakterien gefunden, erkennt ein Restriktionsenzym eine bestimmte DNA-Sequenz, bindet sich daran und durchtrennt dann das Rückgrat der Doppelhelix. Die ungleichmäßigen oder „klebrigen“ Enden, die aus dem Schnitt resultieren, werden durch das Ligase-Enzym wieder zusammengefügt, berichtet das Dolan DNA Learning Center. Restriktionsenzyme haben zu bedeutenden Fortschritten in der Biotechnologie geführt.

Laut Access Excellence haben die Wissenschaftler Werner Arbor und Stewart Linn zwei Enzyme identifiziert, die das Wachstum von Viren in E. coli-Bakterien in den 1960er Jahren. Sie entdeckten, dass eines der Enzyme, das als „Restriktionsnuklease“ bezeichnet wird, die DNA an verschiedenen Stellen entlang des DNA-Strangs schneidet. Dieses Enzym hat das Molekül jedoch an zufälligen Stellen durchtrennt. Biotechnologen brauchten ein Werkzeug, das DNA an bestimmten Stellen konsistent schneiden konnte.

1968 wurde H. O. Smith, K. W. Wilcox und T. J. Kelley isolierte das erste Restriktionsenzym HindII, das wiederholt DNA-Moleküle an einer bestimmten Stelle – dem Zentrum der Sequenz – bei Johns Hopkins Universität. Laut Access Excellence wurden seither mehr als 900 Restriktionsenzyme unter 230 Bakterienstämmen identifiziert.

DNA-Genome können laut der Medicine Encyclopedia durch den Einsatz von Restriktionsenzymen kartiert werden. Durch die Bestimmung der Reihenfolge der Restriktionsenzympunkte im Genom – also der Stellen, an denen sich das Enzym anheftet – können Wissenschaftler die DNA analysieren. Diese als Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus bekannte Technik kann bei der DNA-Typisierung hilfreich sein, insbesondere wenn die Identität eines DNA-Fragments von einem Tatort überprüft werden muss.

Die Verwendung von Restriktionsenzymen ist entscheidend bei der Erzeugung rekombinanter DNA, die das Zusammenfügen von DNA-Fragmenten aus zwei nicht verwandten Organismen ist. In den meisten Fällen wird ein Plasmid (bakterielle DNA) mit einem Gen eines zweiten Organismus kombiniert. Während des Prozesses verdauen oder schneiden Restriktionsenzyme die DNA sowohl der Bakterien als auch des anderen Organismus, was zu DNA-Fragmenten mit kompatiblen Enden führt, berichtet die Medicine Encyclopedia. Diese Enden werden dann durch die Verwendung eines anderen Enzyms oder einer Ligase zusammengeklebt.

Nach Angaben der University of Strathclyde in Glasgow gibt es drei Haupttypen von Restriktionsenzymen. Typ I unterscheidet eine bestimmte Sequenz entlang des DNA-Moleküls, durchtrennt aber nur einen Strang der Doppelhelix. Außerdem emittiert es an der Schnittstelle Nukleotide. Ein weiteres Enzym muss folgen, um den zweiten DNA-Strang zu schneiden. Typ II erkennt eine bestimmte Sequenz und schneidet beide DNA-Stränge nahe oder innerhalb der Zielstelle. Typ III schneidet die beiden DNA-Stränge in einem vorbestimmten Abstand von der Erkennungsstelle.