Bakterielle Reproduktion und binäre Spaltung

Bakterien sind prokaryotische Organismen, die sich ungeschlechtlich vermehren. Die bakterielle Reproduktion erfolgt am häufigsten durch eine Art Zellteilung, die als binäre Spaltung bezeichnet wird. Bei der binären Spaltung wird eine einzelne Zelle geteilt, wodurch zwei genetisch identische Zellen entstehen. Um den Prozess der binären Spaltung zu erfassen, ist es hilfreich, die Struktur von Bakterienzellen zu verstehen.

Die zentralen Thesen

• Die binäre Spaltung ist der Prozess, bei dem sich eine einzelne Zelle teilt, um zwei genetisch identische Zellen zu bilden.
• Es gibt drei übliche Formen von Bakterienzellen: stabförmig, kugelförmig und spiralförmig.
• Übliche bakterielle Zellkomponenten umfassen: eine Zellwand, eine Zellmembran, das Zytoplasma, Flagellen, eine Nukleoidregion, Plasmide sowie Ribosomen.
• Die binäre Spaltung als Reproduktionsmittel hat eine Reihe von Vorteilen, darunter vor allem die Fähigkeit, eine hohe Anzahl mit sehr hoher Geschwindigkeit zu reproduzieren.
• Da die binäre Spaltung identische Zellen hervorbringt, können Bakterien durch Rekombination, die den Transfer von Genen zwischen Zellen beinhaltet, genetisch vielfältiger werden.

Bakterienzellstruktur

Bakterien haben unterschiedliche Zellformen. Die häufigsten Formen von Bakterienzellen sind kugelförmig, stäbchenförmig und spiralförmig. Bakterienzellen enthalten typischerweise die folgenden Strukturen: eine Zellwand, eine Zellmembran, ein Zytoplasma, Ribosomen, Plasmide, Flagellen und eine Nukleoidregion.

• Zellenwand: Eine äußere Hülle der Zelle, die die Bakterienzelle schützt und ihr Form gibt.
• Zytoplasma: Eine gelartige Substanz, die hauptsächlich aus Wasser besteht und auch Enzyme, Salze, Zellbestandteile und verschiedene organische Moleküle enthält.
• Zellmembran oder Plasmamembran: Umgibt das Zytoplasma der Zelle und reguliert den Stofffluss in und aus der Zelle.
• Flagella: Langer, peitschenartiger Vorsprung, der die zelluläre Fortbewegung unterstützt.
• Ribosomen: Zellstrukturen, die für die Proteinproduktion verantwortlich sind.
• Plasmide: Gentragende, zirkuläre DNA-Strukturen, die nicht an der Reproduktion beteiligt sind.
• Nucleoid Region: Bereich des Zytoplasmas, der das einzelne bakterielle DNA-Molekül enthält.

Zellteilung

Dies ist eine farbige Transmissionselektronenmikroskopaufnahme (TEM) eines E. coli-Bakteriums in den frühen Stadien der binären Spaltung. Bildnachweis: CNRI / Getty Images

Die meisten Bakterien, einschließlich Salmonellen und E coli, reproduzieren durch binäre Spaltung. Während dieser Art der asexuellen Reproduktion repliziert sich das einzelne DNA-Molekül und beide Kopien heften sich an verschiedenen Stellen an die Zellmembran. Wenn die Zelle zu wachsen und sich zu verlängern beginnt, vergrößert sich der Abstand zwischen den beiden DNA-Molekülen. Sobald sich die ursprüngliche Größe des Bakteriums verdoppelt, beginnt die Zellmembran in der Mitte nach innen zu klemmen. Schließlich bildet sich eine Zellwand, die die beiden DNA-Moleküle trennt und die ursprüngliche Zelle in zwei identische Tochterzellen aufteilt.

Dieses Bild zeigt Bakterien, die exponentiell in einer Petrischale wachsen. Eine einzelne Kolonie kann Billionen von Bakterien enthalten. Wladimir Bulgar / Wissenschaftsfotobibliothek / Getty Images

Die Reproduktion durch binäre Spaltung bietet eine Reihe von Vorteilen. Ein einzelnes Bakterium kann sich mit hoher Geschwindigkeit in großer Zahl vermehren. Unter optimalen Bedingungen können einige Bakterien ihre Populationszahl innerhalb von Minuten oder Stunden verdoppeln. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Zeit für die Suche nach einem Partner verschwendet wird, da die Fortpflanzung ungeschlechtlich ist. Darüber hinaus sind die aus der binären Spaltung resultierenden Tochterzellen mit der ursprünglichen Zelle identisch. Dies bedeutet, dass sie für das Leben in ihrer Umgebung gut geeignet sind.

Bakterielle Rekombination

Die binäre Spaltung ist ein wirksamer Weg für die Vermehrung von Bakterien, jedoch nicht ohne Probleme. Da die Zellen, die durch diese Art der Reproduktion produziert werden, identisch sind, sind sie alle denselben Arten von Bedrohungen ausgesetzt, wie z. B. Umweltveränderungen und Antibiotika. Diese Gefahren können eine ganze Kolonie zerstören. Um solche Gefahren zu vermeiden, können Bakterien durch Rekombination genetisch vielfältiger werden. Rekombination beinhaltet den Transfer von Genen zwischen Zellen. Die Rekombination von Bakterien erfolgt durch Konjugation, Transformation oder Transduktion.

Konjugation

Einige Bakterien sind in der Lage, Teile ihrer Gene auf andere Bakterien zu übertragen, mit denen sie in Kontakt kommen. Während der Konjugation verbindet sich ein Bakterium über eine Proteinröhrenstruktur namens a mit einem anderen pilus. Durch dieses Röhrchen werden Gene von einem Bakterium auf das andere übertragen.

Transformation

Einige Bakterien sind in der Lage, DNA aus ihrer Umgebung aufzunehmen. Diese DNA-Reste stammen am häufigsten aus toten Bakterienzellen. Während der Transformation bindet das Bakterium die DNA und transportiert sie durch die Bakterienzellmembran. Die neue DNA wird dann in die DNA der Bakterienzelle eingebaut.

Transduktion

Die Transduktion ist eine Art von Rekombination, bei der bakterielle DNA durch Bakteriophagen ausgetauscht wird. Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien infizieren. Es gibt zwei Arten von Transduktionen: generalisierte und spezialisierte Transduktionen.

Sobald sich ein Bakteriophage an ein Bakterium bindet, fügt er sein Genom in das Bakterium ein. Das Virusgenom, die Enzyme und die Viruskomponenten werden dann innerhalb des Wirtsbakteriums repliziert und zusammengesetzt. Einmal gebildet, lysieren oder spalten die neuen Bakteriophagen das Bakterium auf und setzen die replizierten Viren frei. Während des Assemblierungsprozesses kann jedoch ein Teil der bakteriellen DNA des Wirts im viralen Kapsid anstatt im viralen Genom eingeschlossen werden. Wenn dieser Bakteriophage ein anderes Bakterium infiziert, injiziert er das DNA-Fragment des zuvor infizierten Bakteriums. Dieses DNA-Fragment wird dann in die DNA des neuen Bakteriums eingefügt. Diese Art der Transduktion wird als generalisierte Transduktion bezeichnet.

Bei der spezialisierten Transduktion werden Fragmente der DNA des Wirtsbakteriums in die viralen Genome der neuen Bakteriophagen eingebaut. Die DNA-Fragmente können dann auf alle neuen Bakterien übertragen werden, die diese Bakteriophagen infizieren.

Quellen

• Reece, Jane B. und Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.