Es gibt viele verschiedene Anwendungen für gentechnische Methoden. Wenn man beispielsweise das Gen für ein bestimmtes Protein in Bakterien einschleust und diese Bakterien dann im Labor vermehrt, produzieren sie grosse Mengen von diesem Protein. Auf diese Weise kann man Enzyme oder Medikamente gewinnen, die man auf andere Weise nicht herstellen könnte.
DNA-Stücke neu kombinieren: DNA-Rekombination
Nicht nur menschliche Gene bestehen aus DNA, sondern auch die Plasmide der Bakterien. Verschiedene DNA-Stücke können miteinander kombiniert werden. Rekombination heisst: ein zusätzliches Gen in den Gen-Ring eines Bakteriums (ein Plasmid) einfügen.
Zuerst müssen die Biologinnen und Biologen folgende DNA vorbereiten:
A) Das Gen, das in das Plasmid einschleust werden soll, wird aus einer Zelle isoliert (zum Beispiel aus einer menschlichen Zelle).
B) Das Plasmid wird aus Bakterien isoliert.
Beide DNA-Stücke müssen nun so geschnitten werden, dass das Gen, welches untersucht werden soll, in das Plasmid des Bakteriums eingefügt werden kann. Dazu werden DNA-Scheren (Restriktionsenzyme) zugegeben:
A) Die menschliche DNA wird an vielen Stellen geschnitten. Es entstehen unterschiedlich grosse Fragmente. Das DNA-Stück, welches das gewünschte Gen enthält, wird mit Gel-Elektrophorese von den anderen DNA-Stücken getrennt (wie im Artikel DNA in Stücke schneiden beschrieben).
B) Das Plasmid wird nur einmal geschnitten. Der Gen-Ring wird dadurch geöffnet.
Die menschliche DNA und das Plasmid müssen mit der gleichen Schere geschnitten werden, damit die Enden zusammenpassen. Man spricht von „klebrigen Enden“. Mit Hilfe von Ligasen werden die Enden miteinander verknüpft. Das Resultat ist ein rekombinanter Gen-Ring: ein Plasmid eines Bakteriums mit einem menschlichen Gen.
Neben dieser traditionellen Technik gibt es inzwischen auch neuere Methoden, um Gene in Plasmide einzuschleusen. Diese modernen Methoden haben häufig einen entscheidenden Vorteil: Sie sind schneller und weniger aufwendig. Es können z. B. bestimmte Fragmente, die mit einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt wurden, direkt in ein Plasmid eingefügt werden, ohne dass sie zusätzlich mit Restriktionsenzymen behandelt werden müssen. Dazu muss die PCR so angesetzt werden, dass die Gen-Stücke während dieser Reaktion gleich die richtigen Enden bekommen.
Plasmid ins Bakterium bringen: Transformation
Damit das Bakterium das neue Gen auch verwenden kann, das nun ins Plasmid integriert ist, muss der Gen-Ring wieder zurück in das Bakterium gebracht werden. In einem Röhrchen mit einer Nährlösung bringt man Bakterien und Plasmide zusammen.
Damit die Bakterien das Plasmid aufnehmen, müssen sie mit Hitze behandelt werden. Das Röhrchen wird deshalb für kurze Zeit in 42°C warmes Wasser gehalten. Durch die Hitze erleiden die Bakterien einen Schock: In ihren Zellwänden und/oder Zellmembranen bilden sich kleine Löcher, durch welche die Plasmide schlüpfen können. Nimmt man das Röhrchen aus dem warmen Wasser, schliessen sich die Löcher, und die Plasmide bleiben in den Bakterien. Das Röhrchen wird nach dem Schock im warmen Wasser häufig auf Eis gestellt, damit sich die Löcher möglichst rasch schliessen.
Selektion
Längst nicht alle Bakterien nehmen ein Plasmid auf, sondern nur etwa eines von 10'000. Wie lassen sich dann diejenigen mit Plasmid von denjenigen ohne unterscheiden?
Ein üblicher Ansatz ist, dass man in das Plasmid auch ein sogenanntes Resistenz-Gen gegen Antibiotika einfügt. Anhand dieses Gens produziert das Bakterium ein Protein, mit dem es sich gegen ein bestimmtes Antibiotikum schützen kann. Für Bakterien ohne dieses Gen ist das Antibiotikum jedoch giftig.
Für die Unterscheidung von Bakterien mit und ohne Plasmid mischt man in die Nährstofflösung für die Bakterien eine kleine Menge des Antibiotikums. Diese Mischung wird mit Agar als Geliermittel versetzt und in eine Plastikschale gegossen, wo sie sich zu einem Gel verfestigt. Die Bakterien werden auf dem Nährstoff-Agar verteilt und dann für mehrere Stunden in einen 37°C warmen Brutkasten gestellt. Die Bakterien mit dem Plasmid, also diejenigen mit dem Antibiotika-Resistenzgen, vermehren sich stark, so dass man mit der Zeit von blossem Auge kleine Haufen (sogenannte Kolonien) erkennt. Die Bakterien ohne Plasmid sterben ab.
Menschliches Protein gewinnen
Mit einem dünnen Stift oder einer Nadel kann die Biologin oder der Biologe nun Bakterien einer Kolonie abnehmen und sie in eine Nährstofflösung geben. Dort vermehren sich die Bakterien weiter. Sie besitzen alle das rekombinante Plasmid mit dem menschlichen Gen. Anhand dieses Gens produzieren die Bakterien das entsprechende menschliche Protein. Dieses kann man dann reinigen und weiterverwenden.