Biotechnologie und DNA-Replikation

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller erst vor ca. 600 Millionen Jahren, Homo Sapiens vor ca. 130.000 Jahren.
• Progenot → 3 Domänen: Bakterien, Archaea, Eucaryoten.
• Mikroorganismen umfassen Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren.
• Phylogenese = Stammesgeschichte; Stammbaum zeigt den evolutionären Zusammenhang zwischen Arten.
• Bakteriologie Systematik: Domäne, Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung, Art.
• Mikroorganismen machen 70% der Biomasse aus (gesamte organische Substanz).
• Wichtig in Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie und Agrarbiologie.

Unterschiede Bakterien & Archaea

• Zellwände, Membranen, Lipide und Stoffwechsel weisen Unterschiede auf.
• Archaea reagieren weniger empfindlich auf Antibiotika.
• Archaea sind eukaryotischen Organismen ähnlicher als Bakterien.

Bakterien

• Durchschnittlicher Durchmesser: 1 µm
• Durchschnittliches Volumen: 1 µm³
• Oberflächen-Volumen-Verhältnis: 1
• Generationszeit: 0,3 - 1 Stunde
• Bakterienarten: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis.

Archaea

• Archaea Arten: extrem thermophile Arten wie Picrophilus torridus und Methan produzierende Arten wie Methanocaldococcus jannaschii.

Bedeutung von Mikroorganismen

• Sie stellen den größten Anteil an Biomasse dar.
• Wichtig in der Geochemie, da sie Stoffkreisläufe beeinflussen (z. B. Bodenbakterien, Nährstoffe).
• Beeinflussen das globale Klima (z. B. durch Photosynthese).
• Im menschlichen Verdauungstrakt und in der Hautflora oft zur Symbiose.

Koch‘sche Postulate

• Nachweis des Erregers im kranken Tier mittels Mikroskopie.
• Isolierung des Erregers in Reinkultur.
• Reproduktion der Krankheit durch Einbringen des Erregers in ein gesundes Tier.
• Wiederholung des Nachweises des Erregers im infizierten Tier.

Biotechnologische Bedeutung

• Produktion wichtiger Stoffe wie Antibiotika, Enzyme.
• Abwasserreinigung, Entsorgung giftiger Substanzen.

Gentechnologische Bedeutung

• Beeinflussung der genetischen Eigenschaften von Organismen.
• Herstellung von rekombinanten Stoffen (z. B. Insulin).
• Forschung an einzelnen Proteinen.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA.
• Analyse der Genexpression.
• Biochemie: Proteine werden nach Größe im elektrischen Feld getrennt (z. B. Westernblot).

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Farbe.
• Größe.
• Geruch.
• Oberfläche (z. B. glatt, granuliert), Konsistenz (z. B. schmierig, bröckelig), Form des Kolonierands.

Bakteriengrundformen

• Kokken (z. B. Streptokokken, Diplokokken, Staphylokokken).
• Stäbchen (z. B. Kokkobazillen, Bazillen).
• Andere Formen (z. B. Vibrio, Spirochäten).

Biofilme

• Biofilme entstehen, wenn sich Mikroorganismen an Oberflächen ansiedeln.
• Sie bestehen aus extrazellulären Polysacchariden (EPS) und eingebetteten Mikroorganismen.
• Schutz vor Umwelteinflüssen, Nahrungsmittel, chemischen Einflüssen und Ressourcen wie z. B. Wasser.

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Bakterienzellen.
• Regulierung der Genexpression in Abhängigkeit von der Populationsdichte.

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Heterotrophe Bakterien nehmen organische Stoffe auf, um Energie und Bausteine zu gewinnen
• Autotrophe Bakterien synthetisieren organische Stoffe selbst aus Kohlenstoffdioxid (CO2).

Stoffwechselvielfalt

• Energiequelle: Chemotroph (chemische Energie) / Phototroph (Lichtabsorption)
• Reduktionsäquivalent: Organotroph (organische Verbindungen)/Lithotroph (anorganische Verbindungen)
• C-Quelle: Heterotroph (organische Moleküle)/Autotroph (anorganische Moleküle CO2)

Mikrobiologische Verfahren

• Abstriche, Wattestäbchen und kulturelle Verfahren.
• Medien für Mikroorganismen: Vollmedium (viele Nährstoffe), Minimalmedium (wenige Nährstoffe), Selektivmedium (bestimmte Organismen selektiv).

Drei Ösenausstrich & Gußplattenverfahren

• Verfahren zur Keimzahlbestimmung.

Aufbau einer Bakterienzelle

• Chromosom.
• Plasmid.
• Ribosomen.
• Zellmembran.
• Zellwand.
• Kapsel.
• Pili.
• Geißel.

Transport über die Membran

• Spontaner Prozess entlang eines Konzentrationsgradienten.
• Erleichterte Diffusion durch Carrier-vermittelte Verfahren.
• Transport von zwei Substanzen gleichzeitig/in entgegengesetzter Richtung.

Positive und negative Gram-Bakterien

• Gram-positive Bakterien, Zellwand Aufbau mit dicker Mureinschicht
• Gram-negative Bakterien, Zellwand Aufbau mit dünner Mureinschicht und äußerer Membran.

Gram Färbung

• Verfahren zur Unterscheidung von Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien.

Kapseln und Schleime

• Schutz vor Umwelteinflüssen (z. B. Austrocknung, UV-Strahlung).

DNA

• Enthält die genetische Information des Organismus.
• Ringförmig geschlossen im Zytoplasma.

Prokaryotische Ribosomen

• Ort der Proteinbiosynthese.
• Differenzierung zu eukaryotischen Zellen: 70S Ribosomen
• ProteinbiosyntheseOrt.

Sporen von Bakterien

• Dauerformen, die in Zeiten von Nährstoffmangel gebildet werden.
• Hitzeresistent; Überdauerung von harschen Bedingungen und hoher Resistenz.
• Keimfähigkeit bleibt noch über lange Zeit erhalten.

Endosymbiontentheorie

• Plastiden und Mitochondrien gehen auf procytose intrazelluläre Symbiosen zurück.
• Prokaryotische Elemente sind in eukaryotischen Zellen entstanden.

Genetische Information

• Gen → Abschnitt der DNA, der für ein bestimmtes Protein кодирует.
• Chromosom → Genetische Informationseinheit.
• Genom → Gesamtheit aller Gene eines Organismus.
• Baustein für DNA: Nukleotide (Basen, Desoxyribose, Phosphat).

DNA-Replikation

• Semikonservativ: Jeder Tochterstrang besteht aus einem alten und einem neuen Strang.
• Replikationsrichtung 5' → 3'.
• DNA-Polymerasen sind Enzyme, die die DNA-Synthese durchführen.

DNA-Polymerasen

• Enzyme, die an der DNA-Replikation beteiligt sind.
• Unterschiede in der Funktion (Reparatur oder Replikation).

Mutationen

• Fehler bei der DNA-Replikation.
• Korrekturlesefunktion von DNA-Polymerasen hilft, die Fehlerquote niedrig zu halten.

Transkription

• Synthese von RNA aus einer DNA-Matrize.
• RNA-Polymerasen sind Enzyme, die die Transkription durchführen.
• Syntheserichtung 5' → 3'.

Schritte der RNA-Synthese

• Initiation durch RNA-Polymerase am Promoter.
• Elongation entlang des DNA-Strangs.
• Termination bei der Terminationsstelle.

Mikrobiologie - Gentechnik

• Herstellung von Proteinen.
• Veränderung von Pflanzen und Tieren (transgene Organismen).

Restriktionsenzyme, PCR und Ligation

• Verfahren zur Manipulation der DNA.
• Enzyme zur Präzisionsschnitt von DNA.
• PCR= Polymerase Chain Reaction; zur Vervielfältigung bestimmter DNA-Abschnitte.
• DNA-Ligation zur Vereinigung von DNA Fragmenten.

Klonieren

• Verfahren zur Vervielfältigung von DNA Fragmenten in anderen Organismen.

Genetischer Austausch

• Transformation: Aufnahme freier DNA durch eine Zelle.
• Konjugation: Übertragung von DNA durch direkten Zellenkontakt.
• Transduktion: Übertragung von DNA durch Viren.

Bioenergetik

• Befasst sich mit Energieumwandlungen in lebendigen Systemen (Energieerhaltungsgesetz).
• Differenzierung von Exergonen Reaktionen (Freigesetzte Energie/niedrige Aktivierungsenergie) → Endergonen Reaktionen (Nötige Energiezufuhr/hohe Aktivierungsenergie).

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

• Beschreibung der freien Energieänderung bei einer chemischen Reaktion.

Enzyme

• Proteine, die chemische Reaktionen katalysieren; verringern die Aktivierungsenergie und erhöhen die Geschwindigkeit von Reaktionen.

Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen

• Klassen der Enzyme basierend auf ihrer katalysierten Funktion.

Zellatmung

• Prozess zur Energiegewinnung durch Oxidation organischer Verbindungen (z. B. Glucose).
• Aerobe Zellatmung erfordert Sauerstoff (z. B. Citratzyklus, Atmungskette) → anaerobe Zellatmung benötigt keinen Sauerstoff.

Gärung

• Prozess zur Energiegewinnung in Abwesenheit von Sauerstoff.
• ATP Synthese unter Nutzung von organischen Verbindungen.
• Energiegewinnung viel geringer als bei der Zellatmung.

Kohlenstoffquellen

• Organische Verbindungen (heterotroph)
• Kohlenstoffdioxid (CO2; autotroph )

Stickstoffquellen

• Organische stickstoffhaltige Verbindungen
• Anorganische stickstoffhaltige Verbindungen (z. B. Ammoniak)

Katabolismus

• Prozess des Abbaus organischer Verbindungen durch katabolische Reaktionen → Energiefreisetzung → ATP Synthese.

Anabolismus

• Prozess des Aufbaus organischer Verbindungen durch anabole Reaktionen → Energieverbrauch → ATP Verbrauch.

Biologische Sanierung

• Nutzung von Mikroorganismen zur Reinigung von verunreinigten Böden oder Gewässern.
• Prozesse von Zersetzung organischer Materialien zur Energiegewinnung.

Kläranlagen

• Behandlung von Abwasser durch Mikroorganismen.
• Trennung von Stofffraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Blaue Biotechnologie

• Verwendung von Meeresorganismen/Prozessen zur Produktion von Gütern.

Gelbe Biotechnologie

• Biologische, fermentationstechnische Methoden zur Herstellung von Nahrungsmitteln.
• Beispiele: Alkoholische Gärung, Essigsäuregärung, Milchsäuregärung.

Starterkulturen

• Verfahren zur gezielten Verwendung von Mikroorganismen zur Veränderung/Steuerung der biochemischen Prozesse in Lebensmitteln.

Mikrobiologie- Infektionskrankheiten

• Infektionen durch Eindringen und Vermehrung von Krankheitserregern (Bakterien, Viren, Pilze).
• Pathogenität= Fähigkeit eines Organismus zu verursachen.
• Klassifizierung von Infektionskrankheiten.

Nosokomiale Infektionen

• Im Krankenhaus erworbene Infektionen.

Pathogenitätsstrategien

• Adhärenz, Invasion, Spreading, Transcytose.

Koch'sche Postulate

• Kriterien zur Identifizierung eines Erregers einer Infektionskrankheit.

Arten von Antibiotika

• Unterschiedliche Wirkmechanismen (z. B. Zellwandsynthese, Proteinsynthese).
• Resistenzmechanismen von Bakterien gegenüber Antibiotika.

Isolierung und Identifizierung von Pathogenen

• Verfahren zur Isolierung und Identifizierung von Mikroorganismen mit Hilfe spezieller Medien.
• Nutzung von serologischen Methoden für Identifizierung (z.B. ELISA).

Immnunantwort

• Angeborene und erworbene Immunabwehr (unspezifisch, spezifisch).
• Erkennung von Krankheitserregern.
• Entwicklung von Antikörpern gegen Erreger.

Pathogene Verdauungs- und Atemwege

• Infektionspfade sowie Organismusveränderungen in Verdauungs- und Atemsystem.
• Immnunantwort auf Patogene.

Pathogene Verdauungswege und Atemwege

• Überblick über Erreger und mögliche Symptome im Verdauungs- und Atemsystem.
• Mechanismen der Infektion und Ausbreitung von Krankheitserregern.
• Pathogenesepfad.

Dieses Quiz testet Ihr Wissen über grundlegende Konzepte der Biotechnologie und DNA-Replikation, einschließlich der Funktionen von RNA-Primer, Exonukleasen und der Rolle von RNA- und DNA-Polymerasen. Antworten Sie auf Fragen zur weißen Biotechnologie und den Eigenschaften von Bakterien in diesen Prozessen.