Bakterielles Wachstum und Genetik

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existierten vor etwa 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller erst vor ca. 600 Millionen Jahren.
• Homo Sapiens gibt es seit etwa 130.000 Jahren.
• Progenot ist die Urform.
• Domänen: Bakterien, Archaea, Eukaryoten (Einteilung aufgrund RNA-Sequenzvergleich).
• Mikroorganismen umfassen: Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren.
• 1873 Stammbaum des Lebens skizziert von Darwin.
• Phylogenese: Stammesgeschichte.
• Phylogenetischer Stammbaum: zeigt evolutionäre Beziehungen.

Systematik der Bakteriologie

• Domäne: Bacteria, Abteilung/Stamm: Actinobacteria, Klasse: Actinobacteria, Ordnung: Actinomycetales, Familie: Mycobacteriaceae, Gattung: Mycobacterium, Art: M.tuberculosis.
• (ceae = häufige Endung der Familie)
• Mikroorganismen machen etwa 70% der gesamten organischen Substanz aus.
• Wichtig für Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie und Evolution.

Unterschiede zwischen Bakterien und Archaeen

• Unterschiede in Zellwand, Membran, Lipiden und Stoffwechsel.
• Archaea sind unempfindlich gegenüber Antibiotika.
• Archaea sind Eukaryoten ähnlicher als Bakterien.
• Typische Bakterien: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis,
• Typische Archaeen: extrem thermophile und methanproduzierende Organismen.

Bakterienmessungen

• Durchmesser (µm): 1
• Volumen (µm³): 1
• Oberfläch/Volumen-Verhältnis: 1
• Hefen: 10 µm
• Humane Zelle: 10.000 µm³
• Generationszeit: 0,3-1 Stunde (je nach Art)

Entwicklung der Mikrobiologie

• Früher wurden Krankheiten oft als göttliche Strafe betrachtet.
• 1676: Anthony van Leeuwenhoek baute das erste Mikroskop.
• 1828: Otto Friedrich Müller prägte den Begriff "Bakterium".
• 1847: Ignaz Philipp Semmelweis forcierte Hygienevorschriften in Krankenhäusern
• 1822-1895: Louis Pasteur entwickelte Impfstoffe und die Pasteurisierung.
• 1843-1910: Robert Koch kultivierte Milzbranderreger und entdeckte Mycobacterium tuberculosis.

Koch'sche Postulate

• Erreger im kranken Tier nachweisen
• Erreger in Reinkultur anreichern
• Erreger in gesundem Tier dieselbe Erkrankung verursachen
• Erreger erneut isolierbar sein.
• Nicht auf alle Erreger anwendbar (z.B. Viren, Protozoen)

Bedeutung von Mikroorganismen

• Anzahl übertrifft die aller anderen Spezies
• Machen 70 % der Biomasse aus.
• Geochemische Stoffkreisläufe (z.B. Bodenbakterien)
• Globale Klimabeeinflussung (C & N Kreislauf)
• Symbiontische Beziehungen im Verdauungssystem
• Hautflora
• Darmflora (wichtig für Verdauung, Immunsystem): ca. 10 Milliarden Bakterien im menschlichen Mund
• Hautflora: ca. 10^12 Bakterien, wichtige Schutzbarriere.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken; z.B. Western-Blot (Proteine Trennung)

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Farbe (abhängig von Temperatur und Nährmedium)
• Größe
• Geruch
• Oberfläche
• Konsistenz
• Kolonierand (z.B. glatt, gekerbt, wellenförmig, gelappt)
• Profil - zB flach, erhaben, kugelig

Bakterienformen

• Kokken (kugelförmig),
• Stäbchen (stabförmig),
• andere Formen (zB Spirillen, Schraubenbakterien)
• Streptokokken (Ketten)
• Diplokokken (paarige Kokken)
• Sarcinen (Würfel)
• Staphylokokken (Trauben)
• Kokkobazillen (oval)

Biofilm

• Schicht von an Grenzflächen angesiedelten Mikroorganismen
• extrazelluläre Grundsubstanz (EPS): Polymerschicht
• Schutz vor mechanischen Einflüssen, Strahlung, etc

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Zellen im Biofilm
• Genexpression abhängig von Zellanzahl
• Kleine Signalmoleküle
• Kommunikation zwischen Organismen
• Genetischer Austausch über horizontalen Gentransfer
• Anpassung an Umweltbedingungen
• Beziehungen zu chronischen Infektionen.

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Heterotrophe Bakterien: benötigen organische Stoffe
• Autotrophe Bakterien: erzeugen Nahrung aus CO2
• Auxotrophie: bestimmte Nährstoffe müssen von außen zugeführt werden, nicht selbst produzieren. Prototrophie hingegen kann alle benötigten Nährstoffe herstellen.

Stoffwechselvielfalt

• Energiequelle (chemotroph, phototroph): chemische Reaktionen vs. Licht
• Reduktionsmittel (organotroph, lithotroph): organische Verbindungen vs. anorganische Verbindungen
• Temperaturbereiche (psychrophil, mesophil, thermophil, hyperthermophil)
• pH-Werte (acidophil, neutrophil, alkalophil)

Bakterienkulturen

• Abstrich (z.B. Wattestäbchen vom Mund/Rachen)
• Verdünnung mit Impföse
• Nährmedien (Festmedium, Flüssigmedium)

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedium (ermöglicht schnelles Wachstum, hohe Populationsdichte)
• Minimalmedium (erforderlichste Nährstoffe)
• Selektivmedium (führt zum Wachstum der gewünschten Organismen, Filterung)
• Differentialmedium (Unterschiede in Form, Farbe oder sonstigem sichtbar machen)

Gentechnologie

• Herstellung von Proteinen
• Entwicklung von transgenen Pflanzen & Tieren
• Gendiagnostik
• Gentherapien

Klonierung

• DNA-Fragment in ein Plasmid einfügen
• Das rekombinante Plasmid in eine Wirtzelle einschleusen
• Klonen der Zellen

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Herstellung von Proteinen
• Untersuchung einzelner Proteine

Drei Ösenausstrich

• Methode zur Herstellung von Reinkulturen.
• Probeschritte: Probe, Impföse, Ausstreichen, Sterilisierung.

Gußplattenverfahren (Keimzahlbestimmung)

• Einzelkolonien ermöglichen die Zählung
• Probenverdünnung und Aussaat auf Agarplatten.

Biofilm

• Schutz vor Umwelteinflüssen
• Intra- und Interzelluläre Kommunikation
• Genetische Informationen werden ausgetauscht

Bakterielle Strukturen (Fortsetzung)

• Zellwände
• Zellmembranen
• Ribosomen
• Plasmide
• Pili
• Geißeln

Gram Färbung

• Methodischer Farbstoff-Versuch, Trennung der Gram positiven Bakterien von den Gram negativen Bakterien

DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation
• Replikationsrichtung: 5'→ 3'

DNA-Polymerasen

• Vervielfältigung der DNA, wichtige Enzymaktivitäten

Mutationen

• Fehler im DNA-Replikationsprozess führen zu Mutationen.
• DNA-Polymerasen besitzen eine Korrekturlesefunktion (3' → 5' Exonuclease).

Transkription (RNA-Synthese)

• Synthese von RNA aus DNA-Vorlage.
• RNA-Polymerase ist das Enzym, baut RNA-Kette aus Nukleotiden.
• Richtung: 5' → 3'

Schritte der RNA-Synthese

• Initiationsstelle (Promotorsequenz)
• RNA-Polymerase bindet an Initiationssequenz
• Start der RNA-Synthese
• RNA-Polymerase bewegt sich an der DNA-Kette abwärts
• Erreichen einer Terminationsstelle
• RNA-Polymerase- und mRNA-Freisetzung

Bioenergetik

• Fähigkeit von Organismen, Arbeit zu verrichten (in Joule).
• Gibbs-Helmholtz-Gleichung (AG = freier Energiegehalt, ΔH = Enthalpie, T = Temperatur, AS = Entropie)
• Exergone Reaktionen (Energie freisetzenend, AG < 0), Endergone Reaktionen Energie benötigend (AG > 0)
• Enzyme; biologische Katalysatoren, senken Aktivierungsenergie

Enzyme

• Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren.
• Spezifität im aktiven Zentrum

Oxidations-Reduktionsreaktionen

• Energietransfer durch Elektronentransfer
• Coenzym (FAD+/FADH2, NAD+/NADH, NADP+/NADPH)

Biochemischer Energiespeicher

• ATP (Adenosintriphosphat): wichtigste Form, Energie in Phosphatgruppen gespeichert.

Energiegewinnung

• Chemische Reaktionen (ATP)
• Lichtenergie (Photosynthese)
• Elektronendonatoren (aus organischen oder anorganischen Stoffen)
• Elektronentransportkette

Chemoorganotrophie

• Abbau organischer Verbindungen zur Energiegewinnung.
• Glycolyse → Citratzyklus (oxidative Decarboxylierung von Pyruvat) → Atmungskette
• ATP-synthese
• Energiegewinnung durch Verbrennung organischer Stoffe

Gärung

• Anaerobe Bedingungen
• Recycling von elektronenübertragenden Stoffen
• Bildung von Zwischenprodukten, z.B. Ethanol und Milchsäure

Polysaccharide

• Speicherstoffe in Zellen (Glykogen, Stärke).
• Monomere: Glucose, Glucose-Derivate, Ribose, Desoxyribose

Biosynthese der Pentosen

• Aufbau von Pentosen aus Hexosen
• Decarboxylierung (CO2-Abspaltung)

Aminosäuresynthese

• Aufbau von Aminosäuren aus Zwischenprodukten des Stoffwechsels

Nukleotid Biosynthese

• Schrittweises Aufbauen von Nukleotiden aus Kohlenstoff- und Stickstoffquellen

Mikrobiologie - Biotechnologie

• Geschichte: Unbewußte Herstellung vs. Bewusste Herstellung von Nahrungs/Getränken (Phase 1, Phase 2). - Fokus auf Antibiotika und DNA-Forschung - Methoden: Gentechnologie, Klonen.
• Anwendung: Herstellung von Proteinen, Gentechnik in Pflanzen und Tieren, Gendiagnostik, Gentherapien
• Vorteil von Mikroorganismen: Geringes Genom, Schnelles Wachstum, Einfache Selektion.

Restriktionsenzyme

• Erkennen und schneiden DNA-Sequenzen.
• Typ I, II, III.
• Isoschizomere: schneiden gleiche Sequenzen
• Vorteil: genaue Bearbeitung von DNA-Sequenzen.

PCR (Polymerase Kettenreaktion)

• Vervielfältigung von DNA-Abschnitten
• hohe Temperatur-toleranz der DNA-Polymerase
• Primer: kurzen Stückchen DNA, die komplementäre Basen zu dem zu vervielfältigenden DNA-Abschnitt sind.
• Benötigte Reagenzien: DNA-Vorlage, dNTPs (Nukleotide), Primer, Taq-Polymerase, Puffer.

Klonierung:

• DNA-Fragmente in ein Plasmid einfügen
• Rekombinantes Plasmid in eine Wirtzelle einschleusen
• Selektion der transformierten Zellen
• Klonierung der Zellen

Isolation und Identifizierung von Krankheitserregern

• Probenentnahme von Patienten
• Anreicherung, Selektion, und differentialmedien verwenden
• Isolierung/Anreicherungskultur
• Reinkultur von Mikroorganismen
• Identifizierung durch Serologische Methoden/ELISA Test, Mikrobiologische Methoden

Nosokomiale Infektionen

• Krankenhausinfektionen
• Faktoren: Verbreitung durch Patientenkontakt, Hygienemängel, Resistenzbildung

Pathogenitätsstrategien

• Adhärenz (Anhaftung an Wirtszellen)
• Invasion (Eindringen in Wirtszellen oder Gewebe)
• Spreading (Weiterverbreitung im Wirt)

Koch'sche Postulate

• Methode zur Bestimmung des Erregers einer Krankheit (Vorschrift für das Nachweisverfahren eines Krankheitserregers).
• 1. Nachweis im Krankheittier; 2. Isolierung der krankheitsverursachenden Mikroorganismen; 3. Nachweis im Experimentalsubjekt; 4. Wiederholung des Nachweises im weiteren Untersuchungsgang

Antibiotika

• Inhibitoren des Bakteriellen Wachstums oder Abtötung von Bakterien
• Behandlung von bakteriellen Infektionen
• Resistenzentwicklung
• Nebenwirkungen
• Einsatzbereiche

EIA (Enzyme Immunoassay)

• Immunanalytik; Nachweis von Antikörper/Antigenen

Serologische Diagnostik

• Vorteile und Nachteile (schnelle Ergebnisse, komplexere Interpretationen)