Protoplast

Protoplasten von Blattzellen der Petunie (Petunia sp.)

Als Protoplast bezeichnet man bei mit Zellwänden versehenen Zellen die kleinste selbständig lebensfähige morphologische Einheit, d. h. den plasmatischen Inhalt einer Zelle. Daher gibt es diesen Begriff bei Bakterien-, Pilz- und Pflanzenzellen, da sie alle Zellwände besitzen können. Tierische Zellen besitzen hingegen keine Zellwand und sind nur durch ihr Plasmalemma begrenzt.

Protoplasten ohne Zellwand stellt man her, indem man die Zellwand mittels Enzymen auflöst (Protoplastenisolation). Bei Bakterien wird die Mureinschicht (Zellwand) mittels EDTA und Lysozym aufgelöst, bei Pflanzenzellen werden Cellulose und Pektin der Zellwand mittels Cellulasen bzw. Pektinasen aufgelöst. Bei mit anders gearteten Zellwänden ausgestatteten Pilzen kann mit anderen Mitteln entsprechend verfahren werden, zum Beispiel können Chitin-Zellwände mit Chitinase aufgelöst werden.

Bei Bakterienzellen spricht man je nach Vollständigkeit der Entfernung der Zellwand von

• Protoplasten (kein Murein vorhanden)
• Sphaeroplasten (Murein-Reste vorhanden)

Die Einheitsmembran/Cytoplasmamembran (Zellmembran) bleibt jedoch in jedem Fall erhalten. Allerdings ist es erforderlich, die Protoplasten in einem osmotisch etwa isotonen Medium zu präparieren und zu halten, da sie anderenfalls in hypotonischem Medium Wasser aufnehmen und platzen oder ihnen in hypertonischem Wasser entzogen wird und sie dadurch zusammenschrumpfen.

Verwendung

Fusionierter Protoplast (links) mit Chloroplasten aus einer Blattzelle und gefärbter Vakuole aus einer Blütenzelle.

Da Protoplasten keine Zellwände besitzen, können sie leicht DNA aufnehmen. Deshalb sind sie das Ausgangsmaterial für die Herstellung transgener Pflanzen, insbesondere bei denjenigen Pflanzen, bei denen ein Agrobacterium tumefaciens-vermittelter DNA-Transfer nicht etabliert ist. Protoplasten können auch miteinander fusioniert werden (Protoplastenfusion). So können zwei Zellen und damit zwei Genome miteinander verschmolzen werden, auch wenn die Ausgangsorganismen nicht miteinander kreuzbar waren; es entstehen somatische Hybride. Diese Technik wird u. a. in der Pflanzenzüchtung eingesetzt. Die Protoplasten von Gefäßpflanzen benötigen die Zugabe von Phytohormonen für die Regeneration zu ganzen Pflanzen. Zumeist läuft diese Regeneration über ein Zwischenstadium, dem sogenannten Kallus, ab. Demgegenüber regenerieren die Protoplasten von Laubmoosen wie z. B. Physcomitrella patens ohne Zugabe von Phytohormonen direkt zum fädigen Protonema. Dabei verhalten sie sich wie eine keimende Moosspore.