Plasmid

Der Begriff Plasmid wurde 1952 von dem amerikanischen Molekularbiologen Joshua Lederberg eingeführt, der mit diesem Begriff "jede extrachromosomale erbliche Determinante" bezeichnete. 1968 wurde der Begriff Plasmid als Bezeichnung „für extrachromosomale genetische Elemente“ redefiniert.  Zur Abgrenzung mit  Viren wurde die Definition auf: "genetische Elemente eingegrenzt, die ausschließlich oder überwiegend außerhalb des Chromosoms existieren und sich autonom replizieren können".

Ein Plasmid ist ein u.a. in Bakterien vorkommendes,  zellulär lokalisiertes, kleines meist ringförmig selten linear angeordnetes, extrachromosomales, doppelsträngiges DNA-Molekül,das physikalisch von der chromosomalen DNA getrennt ist. Plasmide werden am häufigsten in Bakterien gefunden; sie sind jedoch auch in anderen Prokaryoten (z.B. Archebakterien) sowie und in eukaryotischen Organismen vorhanden. Plasmide können in einer Zelle in mehreren Kopien (Anzahl zwischen 1 und 1000) vorkommen.

Im Gegensatz zu Viren, die ihr genetisches Material in eine schützende Proteinhülle einschließen (Kapsid), bestehen Plasmide aus sog. "nackter" DNA. Sie codieren keine Gene, die erforderlich sind, um das genetische Material für den Transfer auf einen neuen Wirt einzuschließen. Die Größe des Plasmids variiert zwischen 1 und über 200 kbp.

Plasmide werden unter natürlichen Bedingungen zwischen verschiedenen Zellen ausgetauscht. Sie existieren zusätzlich zur Erbinformation des Hauptchromosoms und sind in der Lage, sich autonom zu vervielfältigen. Für ein Prokaryot ist ein Plasmid nicht existenziell. Plasmide enthalten aber oft Gene, die Bakterien zu einem Selektionsvorteil verhelfen, z.B. bei der Einwicklung einer Resistenz gegen Antibiotika. Plasmid-vermittelter Gentransfer spielt jedoch nicht nur bei der Mobilisierung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Ausbreitung von Abbauwegen und Pathogenitätsdeterminanten von Krankheitserregern (Smalla K et al. 2015).

Nach der Funktion der Gene lassen sich die Plasmide einteilen in:

• Fertilitätsplasmide
• Resistenzplasmide
• Virulenzplasmide und
• Metabolische Plasmide   

In der Gentechnik werden Plasmide als „Werkzeuge“ benutzt, z.B. als „Transportsystem“, das geeignet ist ein Fremdgen in Zellen anderer Organismen, z.B. Pflanzen, einzuschleusen. So wird die Eigenschaft von Plasmiden, in andere Zellen einzudringen, bei der genetischen Transformation von Pflanzen mit Hilfe von Agrobakterien genutzt.

Künstliche Plasmide werden als Vektoren bei der molekularen Klonierung verwendet und dienen dazu, die Replikation rekombinanter DNA-Sequenzen in Wirtsorganismen zu erforschen. So ist z.B. Plasmid-DNA ein effizientes Werkzeug, das bei der Entwicklung von Impfstoffen genutzt wird (Rahimi Pet al. 2018). Weiterhin lassen sich durch Transfektion  von Plasmid-DNA gezielt die Funktionen von Zelllinien (z.B. Makrophagen - Maeß MB et al. 2014) untersuchen.

Plasmide haben sich als hocheffiziente molekularbiologische Werkzeuge erwiesen. Für den direkten Gentransfer in den Menschen ist Plasmid-DNA in GMP-Qualität (Good Manufacturing Practice) zwingend erforderlich. Gleiches gilt, wenn die Arzneimittelsubstanz eine gentechnisch veränderte Zelle enthält, zum Beispiel einen chimären Antigenrezeptor (CAR)-T-Zellen (Schmeer M et al. 2017).

1. Maeß MB et al. (2014) Highly efficient transfection of human THP-1 macrophages by nucleofection. J Vis Exp 91:e51960.
2. Rahimi Pet al. (2018) Comparison of transfection efficiency of polymer-based and lipid-based transfection reagents. Bratisl Lek Listy 119:701-705.
3. Schmeer M et al. (2017) Plasmid DNA Manufacturing for Indirect and Direct Clinical Applications. Hum Gene Ther 28:856-861.
4. Smalla K et al. (2015) Plasmid Detection, Characterization, and Ecology. Microbiol Spectr. 3:PLAS-0038-2014.