4.6B: Zelleinschlüsse und Lagergranulate

Zelleinschlüsse und Lagergranulate

Bakterien enthalten trotz ihrer Einfachheit eine gut entwickelte Zellstruktur, die für viele einzigartige biologische Eigenschaften verantwortlich ist, die bei Archaeen oder Eukaryoten nicht zu finden sind. Aufgrund der Einfachheit von Bakterien im Vergleich zu größeren Organismen und der Leichtigkeit, mit der sie experimentell manipuliert werden können, wurde die Zellstruktur von Bakterien gut untersucht und enthüllte viele biochemische Prinzipien, die anschließend auf andere Organismen angewendet wurden.

Die meisten Bakterien leben nicht in Umgebungen, die zu jeder Zeit große Mengen an Nährstoffen enthalten. Um diese vorübergehenden Nährstoffmengen aufzunehmen, enthalten Bakterien verschiedene Methoden der Nährstoffspeicherung, die in Zeiten des Überflusses für den Einsatz in Zeiten des Mangels eingesetzt werden. Beispielsweise speichern viele Bakterien überschüssigen Kohlenstoff in Form von Polyhydroxyalkanoaten oder Glykogen. Einige Mikroben speichern lösliche Nährstoffe wie Nitrat in Vakuolen. Schwefel wird meistens als elementares (S0) Granulat gespeichert, das entweder intra- oder extrazellulär abgelagert werden kann. Schwefelgranulate sind besonders häufig in Bakterien, die Schwefelwasserstoff als Elektronenquelle verwenden. Die meisten der oben genannten Beispiele können unter Verwendung eines Mikroskops betrachtet werden und sind von einer dünnen Nichteinheitsmembran umgeben, um sie vom Zytoplasma zu trennen.

Einschlusskörper sind kern- oder zytoplasmatische Aggregate färbbarer Substanzen, üblicherweise Proteine. Sie stellen typischerweise Stellen der viralen Vermehrung in einem Bakterium oder einer eukaryotischen Zelle dar und bestehen normalerweise aus viralen Kapsidproteinen. Einschlusskörper haben eine Lipidmembran ohne Einheit. Es wird klassisch angenommen, dass Proteineinschlusskörper falsch gefaltetes Protein enthalten. Dies wurde jedoch kürzlich bestritten, da grün fluoreszierendes Protein manchmal in Einschlusskörpern fluoresziert, was auf eine gewisse Ähnlichkeit mit der nativen Struktur hinweist, und Forscher haben gefaltetes Protein aus Einschlusskörpern gewonnen.

Wenn Gene aus einem Organismus in einem anderen exprimiert werden, bildet das resultierende Protein manchmal Einschlusskörper. Dies trifft häufig zu, wenn große evolutionäre Entfernungen überschritten werden; Zum Beispiel riskiert eine aus Eukarya isolierte cDNA, die als rekombinantes Gen in einem Prokaryoten exprimiert wird, die Bildung der inaktiven Proteinaggregate, die als Einschlusskörper bekannt sind. Während die cDNA richtig für eine übersetzbare mRNA kodieren kann, wird das resultierende Protein in einer fremden Mikroumgebung entstehen. Dies hat oft fatale Auswirkungen, insbesondere wenn die Absicht des Klonens darin besteht, ein biologisch aktives Protein zu produzieren. Beispielsweise werden eukaryotische Systeme zur Kohlenhydratmodifikation und zum Membrantransport in Prokaryoten nicht gefunden.

Die interne Mikroumgebung einer prokaryotischen Zelle (pH-Wert, Osmolarität) kann von der der ursprünglichen Genquelle abweichen. Mechanismen zur Faltung eines Proteins können ebenfalls fehlen, und hydrophobe Rückstände, die normalerweise vergraben bleiben würden, können exponiert sein und für die Interaktion mit ähnlichen exponierten Stellen auf anderen ektopischen Proteinen verfügbar sein. Verarbeitungssysteme für die Spaltung und Entfernung interner Peptide würden auch in Bakterien fehlen. Die ersten Versuche, Insulin in einem Bakterium zu klonen, litten unter all diesen Defiziten. Darüber hinaus fehlen die feinen Kontrollen, die die Konzentration eines Proteins niedrig halten können, auch in einer prokaryotischen Zelle, und eine Überexpression kann dazu führen, dass eine Zelle mit ektopischem Protein gefüllt wird, das, selbst wenn es richtig gefaltet wäre, durch Sättigung seiner Umgebung ausfallen würde.