Restriktionsenzyme sind Enzyme, die bestimmte DNA-Sequenzen erkennen und spalten, indem sie einen DNA-Strang in zwei Teile aufteilen, wo immer sie die Sequenzen finden, für die sie kodiert wurden. Es gibt eine Reihe von Anwendungen für Restriktionsenzyme, vielleicht am bemerkenswertesten in der rekombinanten DNA-Technologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, genetische Informationen zu manipulieren. Rekombinante DNA wird für alles verwendet, von der Entwicklung von therapeutischen Produkten wie Insulin für die medizinische Behandlung bis hin zur Veränderung von Nutzpflanzen.
Diese Enzyme werden aus Bakterien isoliert. In Bakterien schützen sie den Organismus vor fremder DNA, indem sie die DNA zerkleinern, wenn sie vom Körper des Bakteriums erkannt wird. Bakterien verwenden eine Technik, die als Restriktionsmodifikation bezeichnet wird, um sich vor ihren Restriktionsenzymen zu schützen und sicherzustellen, dass die Enzyme die DNA des Bakteriums selbst nicht aktivieren. Als Selbstverteidigungsmechanismus eignen sich Restriktionsenzyme hervorragend, da sie die Replikation fremder DNA im Körper durch Fragmentierung verhindern.
Zahlreiche Restriktionsenzyme wurden entdeckt, und in einem als Restriktionsenzymkartierung bekannten Verfahren werden ständig weitere entdeckt. Mehrere Labore produzieren Restriktionsenzyme, um sie an Forscher und andere Labore zu verkaufen. Jedes Restriktionsenzym wurde so kodiert, dass es auf eine bestimmte Nukleotidsequenz reagiert, und die Sequenz ist normalerweise ein Palindrom, das dasselbe rückwärts und vorwärts liest. Wenn ein Restriktionsenzym die erkannte Sequenz findet, durchschneidet es beide Stränge der Doppelhelix-Struktur der DNA und trennt sie. Es erstellt auch mehrere Fragmente, wenn es mehr als eine Kopie der ihm bekannten Sequenz identifiziert.
Einige Restriktionsenzyme schneiden direkt über die Doppelhelix und erzeugen so genannte stumpfe Enden. Andere schneiden an anderen Stellen auf anderen Seiten, wodurch ein gezackter Schnitt entsteht, der als „klebrige Enden“ bezeichnet wird. In jedem Fall kann ein als DNA-Ligase bekanntes Enzym verwendet werden, um ein DNA-Stück mit der abgetrennten DNA zu verbinden, solange die beiden Teile komplementäre Enden haben. Diese Technik kann verwendet werden, um neue DNA in ein Genom einzufügen und ein Genom zu manipulieren, so als würde man die Teile zweier verschiedener Puzzles zusammenfügen.
In manchen Fällen ist ein Restriktionsenzym für die sogenannte eindeutige Erkennung kodiert, das heißt, es erkennt nur ganz bestimmte Sequenzen. Andere sind für eine mehrdeutige Erkennung kodiert und suchen nach Sequenzen, in denen spezifische Nukleotide irgendwelche Nukleotide einklammern. Mithilfe bekannter Restriktionsenzyme können Forscher eine DNA-Probe selektiv in Fragmente zerschneiden, die als Restriktionsfragmente bekannt sind.