{"id":647,"date":"2022-09-13T07:29:55","date_gmt":"2022-09-13T07:29:55","guid":{"rendered":"https:\/\/genawif.com\/?post_type=news&p=647"},"modified":"2022-09-14T12:52:50","modified_gmt":"2022-09-14T12:52:50","slug":"size-matters-the-importance-of-dna-packaging%ef%bf%bc","status":"publish","type":"news","link":"https:\/\/genawif.com\/de\/news\/size-matters-the-importance-of-dna-packaging%ef%bf%bc\/","title":{"rendered":"Auf die Gr\u00f6\u00dfe kommt es an \u2013 die Notwendigkeit der Umstrukturierung von DNA"},"content":{"rendered":"

Zusammenfassung<\/h3>\n\n\n\n

Der folgende Artikel gibt eine grundlegende Einf\u00fchrung \u00fcber die Notwendigkeit, die Gr\u00f6\u00dfe von DNA in einer r\u00e4umlich begrenzten Zelle zu managen, was anhand eines Gr\u00f6\u00dfenvergleichs der DNA- und der Zellgr\u00f6\u00dfe des Bakteriums Escherichia coli<\/em> demonstriert wird. Danach wird ein simples Modell beschrieben, welches das Prinzip der DNA-Verpackung veranschaulicht, und welches wortw\u00f6rtlich mit St\u00f6cken und F\u00e4den zuhause ausprobiert werden kann. Da DNA-Verpackung weitaus komplizierter ist und in der Zelle durch strukturelle Proteine und Enzyme vorangetrieben wird, werden zwei hierf\u00fcr wichtige Enzyme, die bakterielle DNA-Topoisomerase I sowie die DNA-Gyrase, vorgestellt. Deren Aktivit\u00e4t l\u00e4sst sich mit einer lang erprobten Labortechnik namens Gelelektrophorese gut untersuchen. Solche Untersuchungen werden dazu genutzt, um neue DNA-Gyrase-Hemmer zu entdecken, die als Antibiotika gegen mikrobielle Infektionen eingesetzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 1 \u2013 DNA wird genutzt, um enorme Mengen an biologischer Information zu speichern<\/h3>\n\n\n\n

S\u00e4mtliche Information \u00fcber den Aufbau und die Vorg\u00e4nge in einer lebenden Zelle, wie z.B. f\u00fcr die Synthese von Proteinen oder genetische Schaltpl\u00e4ne, mit denen eine Zelle auf sich ver\u00e4nderte Umweltbedingungen reagieren kann, sind physikalisch auf DNA-Molek\u00fclen gespeichert. Einfach gesagt ist jeder biologische Aspekt eines Organismus in seiner DNA codiert, was ziemlich viel Information ist. Wie wir im folgenden Abschnitt sehen werden, \u00fcbertrifft die absolute Gr\u00f6\u00dfe nicht-komprimierter DNA die Gr\u00f6\u00dfe der Zelle, die die DNA umgibt, was der Grund ist, weshalb DNA zusammengepackt und kondensiert werden muss, um in eine Zelle zu passen.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 2 \u2013 Warum eine kompakte DNA-Struktur essentiell ist<\/h3>\n\n\n\n

Um auf einen Gr\u00f6\u00dfenvergleich zwischen einem DNA-Molek\u00fcl und einer Zelle einzugehen, ist eine grundlegende Kenntnis \u00fcber die Einheiten und Begriffe hilfreich, die im Zusammenhang mit der Gr\u00f6\u00dfe eines DNA-Molek\u00fcls verwendet werden. DNA besteht aus zwei langen Molek\u00fclketten, die miteinander interagieren und eine sogenannte DNA-Doppelhelix<\/strong> bilden, eine der bekanntesten Illustrationen f\u00fcr DNA (Abbildung 1). Eine Molek\u00fclkette, auch als DNA-Einzelstrang bezeichnet, besteht aus einer Abfolge von chemischen Basen <\/strong>entlang eines Zucker-Phosphat-R\u00fcckgrats. Jede Base eines DNA-Strangs paart mit einer Base des anderen Strangs der DNA-Helix, weshalb die L\u00e4nge eines DNA-Molek\u00fcls h\u00e4ufig in Basenpaaren <\/strong>(bp<\/strong>) angegeben wird 1<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Eine vereinfachte Darstellung f\u00fcr die Struktur von DNA. DNA-Helices bestehen aus zwei antiparallel-verlaufenden Molek\u00fclketten, die als DNA-Einzelstr\u00e4nge bezeichnet werden. Die Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) oder Guanin (G) sind kovalent mit einem Zucker-Phosphat-R\u00fcckgrat verbunden, und die Sequenz der Basenabfolge repr\u00e4sentiert genetische Information, die von der Zelle gelesen und interpretiert wird, um bestimmte Aufgaben in der Zelle durchzuf\u00fchren. DNA-Einzelstr\u00e4nge interagieren miteinander durch die Bildung von Basenpaaren und Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen (H-Br\u00fccken, vertikale Linien zwischen den Basen A, T, C und G). Durch die Anordnung und Interaktion der DNA-Einzelstr\u00e4nge bildet sich eine nat\u00fcrliche helikale DNA-Doppelhelix.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die chromosomale DNA eines Bakteriums besteht aus den gr\u00f6\u00dften DNA-Molek\u00fclen einer Zelle und beinhaltet den Gro\u00dfteil der lebensnotwendigen genetischen Information. In den meisten F\u00e4llen ist die chromosomale bakterielle DNA ein einziges langes DNA-Molek\u00fcl, dessen Enden miteinander verbunden sind und so eine Ringstruktur bildet 2<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 3 \u2013 Escherichia coli\u00b4<\/em>s DNA- und Zellgr\u00f6\u00dfe<\/h3>\n\n\n\n

. Escherichia coli<\/em> K12 ist ein gebr\u00e4uchlicher Laborstamm, dessen Chromosom eine Gr\u00f6\u00dfe von 4,6 Mega-Basenpaaren (Mbp) hat, was 4,6 Millionen bp DNA entspricht 3<\/sup>Da die physikalische L\u00e4nge eines Basenpaars ca. 0,34 Nanometer entspricht 4<\/sup>kann die L\u00e4nge der chromosomalen DNA von E. coli<\/em> berechnet werden, n\u00e4mlich mit 0,34 nm x 4.600.000 bp = 1.564.000 nm. Dies entspricht ungef\u00e4hr 1,5 mm, also einer L\u00e4nge, die mit dem menschlichen Auge sichtbar ist (Abbildung 2). Da es sich bei dem Chromosom von E. coli <\/em>um eine Ringstruktur handelt, ist der Kreisdurchmesser, der mit einem 1,5 mm Faden gebildet werden kann, eine bessere Ann\u00e4herung f\u00fcr die DNA-Gr\u00f6\u00dfe. Mit 1,5 mm Kreisumfang h\u00e4tte ein solche DNA-Ringstruktur einen Durchmesser von ca. 0,5 mm, was ebenfalls noch mit blo\u00dfem Auge erkennbar w\u00e4re. <\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Vergleich der Gr\u00f6\u00dfe der DNA des Bakteriums Escherichia coli mit seiner Zellgr\u00f6\u00dfe. Die DNA von E. coli besteht aus 4,6 Millionen Basenpaaren. Ein Basenpaar hat eine L\u00e4nge von 0,34 Nanometern (nm), wodurch sich eine Gesamtl\u00e4nge f\u00fcr die DNA von E. coli von 4.600.000 x 0,34 = 1.564.000 nm ergibt, was 1.564 Mikrometer (\u00b5m) oder 1,5 Millimeter (mm) entspricht. Diese 1,5 mm lange DNA ist in eine Struktur komprimiert, die als Nucleoid bezeichnet wird. In der Realit\u00e4t ist das E. coli Genom kein 1,5 mm linearer Strang, sondern ein zirkul\u00e4res Molek\u00fcl, welches rein mathematisch berechnet einen Kreisdurchmesser von ca. 0,5 mm (500 \u00b5m) h\u00e4tte und damit ohne Komprimierung immer noch 100-200-mal gr\u00f6\u00dfer w\u00e4re als eine E. coli Zelle.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

. E. coli<\/em> Zellen sind ann\u00e4hernd zylindrisch mit einer L\u00e4nge von 0,002 \u2013 0,004 mm und einem Durchmesser von 0,001 mm 5\u20137<\/sup>. Sie haben also eine Gr\u00f6\u00dfe, die nicht mit dem blo\u00dfen Auge sichtbar ist. Die DNA muss also in eine viel kleinere Form gepackt sein, die von Wissenschaftlern als Nucleoid bezeichnet wird 8<\/sup> (Abbildung 2).<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 4 \u2013 Ein einfaches Model f\u00fcr die Verdichtung von DNA zu einer kompakteren Struktur<\/h3>\n\n\n\n

W\u00e4hrend der Kondensation von DNA verdrillen sich die DNA-Doppelstr\u00e4nge mehrfach miteinander und bilden sogenannte mehrfach-verdrillte Super-Schlaufen (engl.: super coils), was der verpackten oder auch kondensierten DNA-Struktur in einer Zelle entspricht. In dieser kondensierten Form ist die DNA-Gr\u00f6\u00dfe sehr viel kompakter, vergleichbar mit einem 2-Meter Zollstock, der zusammengefaltet in eine Hosentasche passt.<\/p>\n\n\n\n

Ein simples Modell von DNA-Komprimierung kann man mit etwas Bastelei zuhause nachmachen, es braucht dazu zwei F\u00e4den und zwei St\u00f6cke (Abbildung 3). Die zwei F\u00e4den repr\u00e4sentieren zwei parallele DNA-Str\u00e4nge, die in der Realit\u00e4t als Doppelhelix vorliegen w\u00fcrden. Wenn jedes Faden-Ende an jeweils einen Stock fixiert ist, sodass beide F\u00e4den parallel zueinander verlaufen, und man dann die F\u00e4den mit Hilfe der St\u00f6cke spannt und verdreht, verdrillt sich die \"DNA\". Die auf den F\u00e4den liegende Spannung wird abgebaut, sobald man die St\u00f6cke n\u00e4her zueinander bringt, w\u00e4hrenddessen die verdrillten F\u00e4den Schlaufen bilden.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 3: Ein einfaches Modell zur Gr\u00f6\u00dfen-Komprimierung der DNA-Struktur. Die lineare DNA besteht aus zwei DNA-Einzelstr\u00e4ngen, die durch sogenannte Wasserstoffbr\u00fccken-Bindungen zwischen den Basen der Einzelstr\u00e4nge miteinander verbunden sind (vertikale Linien zwischen den horizontalen Linien). Werden in diesem Modell beide Enden der parallel verlaufenden Str\u00e4nge fixiert und wird ein Ende um seine horizontale Achse gedreht, verdrillt sich die DNA. Durch diese Drehung entsteht eine negative Spannung zwischen den fixierten Enden, die abgebaut wird, wenn sich beide Enden einander ann\u00e4hern. Die Spannung auf den verdrillten Str\u00e4ngen wird dabei vermindert, indem sich Schlaufen-Strukturen (engl.: super coils) ausbilden. Die absolute L\u00e4nge der DNA bleibt dabei gleich, aber die DNA wird dadurch kompakter und beansprucht somit weniger Platz.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wie alles in der Biologie ist die Verpackung und Entpackung von DNA ein ziemlich komplizierter Prozess, an dem mehrere Enzyme und strukturelle Proteine beteiligt sind, um die Struktur der DNA zu ver\u00e4ndern und zu stabilisieren. Enzyme, die aktiv DNA verpacken -und entpacken geh\u00f6ren zu der sogenannten Topoisomerase-Proteinfamilie <\/strong>(ein gutes Review hierzu gibt es z.B. von Champoux 9<\/sup>).<\/p>\n\n\n\n

Im Prinzip kann man die DNA einer Zelle mit einem Buch vergleichen, welches die Information \u00fcber den Aufbau und s\u00e4mtliche Abl\u00e4ufe in einer Zelle enth\u00e4lt. Eine bestimmte Seite des Buches wird aufgeschlagen (entpackt), um ein Transkript (eine Kopie) einer bestimmten Passage anzufertigen, wonach diese Seite anschlie\u00dfend wieder zugeschlagen (verpackt) wird. Das Transkript wird dann als Anleitung f\u00fcr die Durchf\u00fchrung bestimmter Aufgaben in der Zelle verwendet. DNA-Verpackung und Entpackung sind also essentiell f\u00fcr eine lebende Zelle, und wenn die Enzyme, die an diesen Prozessen beteiligt sind, in ihrer Funktion gehindert werden, ist dies f\u00fcr ein Bakterium meist t\u00f6dlich. Daher werden in der Medizin z.B. Antibiotika genutzt, die Bakterien-spezifische Topoisomerasen wie die DNA Gyrase hemmen 10<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 5 \u2013 Durch Agarosegel-Elektrophorese kann die Aktivit\u00e4t von Topoisomerasen sichtbar gemacht werden<\/h3>\n\n\n\n

Das Verpacken und Entpacken von DNA durch die bakterielle DNA Gyrase und die Topoisomerase I k\u00f6nnen heutzutage sehr einfach in einem Labor untersucht werden. Vorher sollten wir jedoch kurz darauf eingehen, inwiefern diese Enzyme die DNA-Struktur ver\u00e4ndern. In einer vereinfachten Darstellung betrachtet \u00e4ndert die DNA Gyrase die Anzahl an \u00dcberschneidungen und damit die Anzahl von Schlaufen von miteinander verdrillten DNA-Str\u00e4ngen, und je mehr Schlaufen, desto kompakter ist die DNA. Dazu h\u00e4lt die DNA-Gyrase zwei DNA-Str\u00e4nge fest und fixiert diese. Sie schneidet dann einen Strang, f\u00fchrt den nicht geschnittenen Strang durch die entstandene Schnitt\u00f6ffnung und verbindet dann den zuvor geschnittenen Strang wieder 10<\/sup>Die DNA Topoisomerase I relaxiert aktiv verdrillte DNA, indem sie Str\u00e4nge schneidet und so eine Entwindung der DNA erm\u00f6glicht, bevor die Topoisomerase die getrennten Str\u00e4nge wieder miteinander verbindet 9<\/sup> (Abbildung 4).<\/p>\n\n\n\n

Bisher wurde die DNA-Gr\u00f6\u00dfe und die Verpackung von DNA anhand des Beispiels von genomischer DNA diskutiert, allerdings ist f\u00fcr die Analytik von DNA die Verwendung kleinerer DNA-Molek\u00fcle anstatt chromosomaler DNA sinnvoll. Hierbei sind Plasmide eine gute Wahl. Sie sind ebenso wie die meisten bakteriellen Chromosomen zirkul\u00e4r und existieren neben dem bakteriellen Chromosom ebenfalls in der Zelle. Allerdings haben sie oft nur einen Bruchteil der Gr\u00f6\u00dfe eines Chromosoms und liegen in einer h\u00f6heren Kopienzahl als einer Kopie pro Zelle vor. Da sie einfach von Bakterien zu isolieren und von der genomischen DNA trennbar sind, kann man Plasmide leicht in gro\u00dfer Menge pr\u00e4parieren. Kleine Plasmide sind in der Handhabung auch sehr viel robuster als gr\u00f6\u00dfere DNA-Molek\u00fcle, weshalb sie ein gutes Testmaterial darstellen, um die Aktivit\u00e4t der DNA Gyrase und der DNA Topoisomerase I zu untersuchen (Abbildung 4).<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 4: Eine einfache Methode zur Untersuchung der Aktivit\u00e4t von DNA-Topoisomerasen. Zirkul\u00e4re entspannte (relaxierte) DNA kann durch die DNA Gyrase zu Schlaufen verdrillt werden (eng.: super coils). Die DNA Topoisomerase I relaxiert hingegen super coiled DNA. Das Resultat der Aktivit\u00e4t beider Enzyme kann durch eine Agarose-Gelelektrophorese der jeweils enzymatisch unterschiedlich behandelten DNA untersucht werden. Obwohl beide Molek\u00fcle dieselbe absolute Gr\u00f6\u00dfe haben, ist super coiled DNA wesentlich kompakter und kann in einem elektrischen Feld in einer festgelegten Zeitspanne schneller durch das Siebgeflecht eines Agarosegels in einem elektrischen Feld wandern als relaxierte DNA. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Analyse, wie viel Raum DNA-Molek\u00fcle in Abh\u00e4ngigkeit von ihrer Struktur beanspruchen, also wie kompakt eine DNA ist, ist recht einfach. DNA-Proben werden dazu mit Hilfe eines Agarose-Gels nach ihrer r\u00e4umlichen Gr\u00f6\u00dfe (also nicht nur nach ihrer absoluten Gr\u00f6\u00dfe!) getrennt.<\/p>\n\n\n\n

Ein Agarosegel ist ein Polymer, welches ein dreidimensionales Netz oder Geflecht bildet. Die Gr\u00f6\u00dfe der Poren in dem Geflecht wird von der Konzentration der Agarose bestimmt, mit der man ein Agarosegel vorbereitet. Je dichter das Geflecht, desto kleiner die Poren, und desto mehr Zeit ben\u00f6tigen DNA-Molek\u00fcle, sich durch ein Agarosegel zu bewegen. Da die DNA-Molek\u00fcle flexibel sind, schl\u00e4ngeln sie sich St\u00fcck f\u00fcr St\u00fcck durch die Poren. Je kompakter die DNA-Molek\u00fcle sind, desto schneller k\u00f6nnen sie sich durch das Geflecht bewegen. Hierdurch kann man kompakte von weniger kompakter DNA leicht unterscheiden, da sie in einem bestimmten Zeitfenster unterschiedliche Strecken durch das Gel zur\u00fccklegen. Hierbei k\u00f6nnen die DNA-Molek\u00fcle durchaus dieselbe absolute Gr\u00f6\u00dfe haben (dieselbe Anzahl an bp), aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur unterschiedliche Strecken zur\u00fccklegen. Die Bewegung der DNA durch das Agarosegel wird durch ein elektrisches Feld erreicht, denn DNA liegt in Abh\u00e4ngigkeit von dem pH-Wert meist als negativ geladenes Molek\u00fcl vor, welches in einem elektrischen Feld vom negativen elektrischen Pol (Kathode) zum positiven elektrischen Pol (Anode) gezogen wird. Das Gel befindet sich hierf\u00fcr in einer elektrisch leitenden Salzl\u00f6sung, wodurch sich elektrisch geladene Teilchen in der L\u00f6sung zu den elektrischen Polen bewegen k\u00f6nnen, und da die DNA in Vertiefungen des Gels geladen wurde, bevor das Feld aufgebaut wird, wird die DNA dazu gezwungen, sich durch das Gel in Richtung Anode zu bewegen (Abbildung 4).<\/p>\n\n\n\n

Diese Gelelektrophorese gest\u00fctzte Analyse der Aktivit\u00e4t von DNA Topoisomerasen kann leicht f\u00fcr die Suche nach neuen DNA Gyrase-Hemmern eingesetzt werden, welche sich als neue einsetzbare Antibiotika erweisen k\u00f6nnten. Obwohl es schon DNA Gyrase-hemmende Antibiotika gibt, ist der Gebrauch von Antibiotika h\u00e4ufig mit der Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen begleitet 11<\/sup>, weshalb es vern\u00fcnftig ist, alternative Antibiotika zu suchen und zu erforschen.<\/p>\n\n\n\n

Zum Beispiel wurde die hier geschilderte Methode zur Untersuchung der Topoisomerase-Aktivit\u00e4t genutzt, um den Einfluss des Naturstoffes Allicin aus Knoblauch auf die Aktivit\u00e4t der bakteriellen DNA-Gyrase zu untersuchen 12<\/sup>. Der Artikel \u201eAllicin aus Knoblauch inhibiert das essentielle bakterielle Enzym DNA Gyrase, ein h\u00e4ufiges Ziel medizinischer Antibiotika\u201c<\/em>auf unserer GENAWIF-Website w\u00e4re also ein idealer Artikel, um an das hier Gelesene anzukn\u00fcpfen!<\/p>\n\n\n\n

Jan Borlinghaus, 13.09.2022<\/p>\n\n\n\n

Referenzen<\/h3>\n\n\n\n
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    Im folgenden Artikel wird die Bedeutung des DNA-Gr\u00f6\u00dfenmanagements aufgrund des begrenzten zellul\u00e4ren Raums am Beispiel der DNA und der Zellgr\u00f6\u00dfe des Bakteriums Escherichia coli erl\u00e4utert.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":673,"comment_status":"open","ping_status":"closed","template":"","categories":[],"newstags":[],"class_list":["post-647","news","type-news","status-publish","has-post-thumbnail","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/news\/647","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/news"}],"about":[{"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/news"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=647"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/673"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=647"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=647"},{"taxonomy":"newstags","embeddable":true,"href":"https:\/\/genawif.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/newstags?post=647"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}