Mikrobiologie: Bakterien und Archaea

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existieren seit ca. 3,8 Milliarden Jahren.
• Vielzeller entstanden erst vor ca. 600 Millionen Jahren.
• Homo Sapiens existiert seit ca. 130.000 Jahren.
• Der Urvorläufer (Progenot) teilte sich in drei Domänen: Bakterien, Archaea und Eucaryoten.
• Mikroorganismen umfassen Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen und Viren.
• 1837 skizzierte Darwin einen Stammbaum des Lebens.
• Phylogenese ist die Stammesgeschichte, die die evolutionäre Beziehung zwischen Arten beschreibt.
• Phylogenetische Stammbäume zeigen die Zeitverhältnisse zwischen den Arten.

Systematische Kategorien der Bakteriologie

• Die Domäne Bacteria umfasst die Abteilung/Stamm Actinobacteria (Klasse Actinomycetales, Familie Mycobacteriaceae und Gattung Mycobacterium, Art M. tuberculosis).
• Die Domäne Bacteria umfasst die Abteilung Proteopacteria (Klasse Epsilonproteobacteria, Ordnung Helicobacterales, Familie Helicobacteraceae, Gattung Helicobacter und Art H. pylori).
• Anzahl der Mikroorganismen übertrifft alle anderen Spezies.
• Mikroorganismen machen 70% der Biomasse der Erde aus.

Unterschiede zwischen Bakterien und Archaea

• Zellwände, Membranen, Lipide, Stoffwechsel und DNA/RNA-Sequenzen unterscheiden sich.
• Archaea sind gegenüber Antibiotika weniger empfindlich als Bakterien.
• Manche Archaea bevorzugen extreme Lebensbedingungen.

Bakterien

• Durchschnittsdurchmesser: 1 µm
• Durchschnittsvolumen: 1 µm³
• Verhältnis Oberfläche zu Volumen: 1
• Generationszeiten variieren zwischen 0,3 und 1 Stunde

Hefen

• Durchmesser: 10 µm
• Volumen: 1.000 µm³
• Verhältnis: Fläche/ Volumen: 10

Humane Zelle

• Durchmesser: 10.000 µm
• Volumen: 10.000.000 µm³
• Verhältnis: Fläche/ Volumen: 0,1
• Generationszeiten: 20 Stunden

Entwicklung der Mikrobiologie

• 1676: Anthony van Leeuwenhoek baute das erste Mikroskop und entdeckte Bakterien.
• 1828: Otto Friedrich Müller verwendete das Wort „Bakterium".
• 1847: Ignaz Philipp Semmelweis setzte sich für Hygiene in Krankenhäusern ein.
• 1822-1895: Louis Pasteur entwickelte Impfstoffe und die Pasteurisierung.

Koch'sche Postulate

• Erreger muss im kranken Tier nachgewiesen werden.
• Erreger muss in Reinkultur gebracht werden.
• "Reiner" Erreger muss in einem gesunden Tier die gleiche Krankheit auslösen.
• Erreger muss wieder isolierbar sein.

Bedeutung von Mikroorganismen

• Sie spielen eine wichtige Rolle in der Geochemie.
• Sie haben einen Einfluss auf das globale Klima.
• Sie erfüllen wichtige Funktionen in verschiedenen Ökosystemen.
• Sie sind wichtig für die menschliche Verdauung, das Immunsystem und andere physiologische Prozesse.

Bedeutung von Mikroorganismen - Medizin

• Sie sind an vielen Krankheiten beteiligt.
• Eine Vielfalt an Bakterienarten lebt in der menschlichen Darmflora.
• Die Darmflora ist für die menschliche Gesundheit von großer Bedeutung.
• Viele Mikroorganismen spielen eine Rolle in der Herstellung verschiedener Produkte.

Bedeutung von Mikroorganismen - Biotechnologie

• Sie sind an der Produktion von Antibiotika, Enzymen und Gentherapien beteiligt.
• Sie sind wichtig bei der Abwasserbehandlung und der Beseitigung giftiger Stoffe.
• Sie sind Bestandteil der industriellen Herstellung von Produkten.

Molekulare Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken zur Trennung von Proteinen nach Größe.

Makroskopische Merkmale von Bakterienkolonien

• Farbe: abhängig von Temperatur, Sauerstoff, Licht und Nährmedium.
• Größe: Durchmesser
• Geruch: beispielweise erdig, fischig, muffig
• Oberfläche: glatt, granuliert, wellig
• Konsistenz: schmierig, bröckelig
• Kolonierand: glatt, gekerbt, wellenförmig
• Profil: flach, konvex, erhaben, halbkugelig, knopfförmig

Bakterienformen

• Kokken (kugelförmig)
• Stäbchen (zylindrisch)
• Spiralen (schraubenförmig) und andere Formen

Biofilm

• Film aus Mikroorganismen, der sich an Grenzflächen ansiedelt.
• Für den Schutz vor diversen Umwelteinflüssen.

Stoffwechselvielfalt

• Energiequelle:
• Chemotroph (chemische Reaktionen)
• Phototroph (Lichtreaktionen)
• Reduktionsäquivalent:
• Organotroph (organische Verbindungen)
• Lithotroph (anorganische Verbindungen)
• C-Quelle:
• Heterotroph (organische Verbindungen)
• Autotroph (CO2)

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstriche und Ausdünnen von Bakterien in Nährmedien zur Gewinnung von Reinkulturen
• Verwendung von Gußplattenverfahren oder Drei-Ösenausstrich.

Medien

• Vollmedium: für eine hoher Populationsdichte und schnellen Wachstum.
• Minimalmedium: nur eine Kohlenstoffquelle oder Nährstoffe für das Überleben
• Selektivmedium: nur spezifische Organismen wachsen und können voneinander unterschieden werden.

Aufbau von Bakterienzellen

• Chromosom
• Ribosomen
• Plasmide
• Zellwand
• Zellmembran
• Kapsel
• Pili
• Geißeln

Transport über die Membran

• Diffusion
• Erleichterte Diffusion
• Primärer Transport (z.B. Natrium-Kalium-Pumpe)
• Sekundärer Transport (z.B. gekoppelter Transport zweier Substanzen, Carrier-vermittelt)
• Translokation

Gram-positive Bakterien

• Zellwand Aufbau: Murein.

Gram-negative Bakterien

• Zellwand Aufbau: Murein + äußerer Membran.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken (z.B. Trennung von Proteinen nach Größe)

DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation
• Richtung 5' -> 3'
• Beginn an Replikationsursprung
• Enzym DNA-Polymerase für die Synthese des neuen DNA-Strangs

DNA-Polymerasen

• unterschiedliche Funktionen (Reparatur, Replikation)
• 5' -> 3' Richtung bei der Synthese
• Korrekturlesen (3' -> 5' Exonuklease-Aktivität)

Transkription

• DNA-abhängige RNA-Synthese
• RNA-Polymerase
• Bedeutung von Promotersequenz für die Initiierung
• Richtung 5' -> 3'
• Transkriptionsprodukte sind mRNA, tRNA und rRNA

Genetik

• Genetischer Austausch mithilfe von Plasmiden und Pili (Konjugation)
• Transduktion (mithilfe von Viren)
• Genetischer Austausch mithilfe von horizontalen Gentransfer

Stoffwechsel-Katabolismus

• Abbau energiereicher Verbindungen in kleinere Einheiten, Freisetzung von Energie (ATP).
• Energiequelle für den Aufbau von Zellbestandteilen.
• Stoffwechselwege (z.B. Glykolyse, Citratzyklus)
• ATP

Stoffwechsel-Anabolismus

• Aufbau energiereicher Verbindungen aus kleineren Einheiten, Verbrauch von Energie (ATP).
• Synthese von Zellbestandteilen (z.B. Proteine, Nukleinsäuren).
• Biologische Syntheseverfahren.

Bioenergetik

• Lehre von Energieumwandlungen in lebenden Organismen
• Gibbs-Helmholtz-Gleichung zur Beschreibung thermodynamischer Prozesse.
• ATP als Energiewährung der Zelle
• Enzyme als biologische Katalysatoren mit niedriger Aktivierungsenergie.
• Energiefreisetzung, Energiekonservierung und Energieübertragung

Enzyme

• Klassen nach der Art der katalysierten Reaktion (Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen)
• Wirkungsspektrum
• Lokalisation in der Zelle (extra-, intra- zellulär)

Oxidations-Reduktionsreaktionen

• Elektronenübertragung
• Elektronenüberträger (Coenzyme wie NAD+/NADH, FAD/FADH2)

Biochemischer Energiespeicher

• ATP
• Chemische Bindungen
• Konzentrationsgradienten
• Membranpotentiale

Chemoorganotrophie

• Abbau organischer Verbindungen (z.B. Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette) zur Energiegewinnung.

Gärung

• Anaerobe Bedingungen
• Energiegewinnung durch Substratkettenphosphorylierung
• Zwischenprodukte dienen als Elektronenakzeptoren.
• Endprodukte variieren je nach Gärprozess (Milchsäuregärung, Alkoholische Gärung).

Keimreduktion

• Sterilisation
• Desinfektion
• Verwendung von Hitze, Strahlung und chemischen Desinfektionsmitteln.
• Abtötung von Mikroorganismen.

Antibiotika

• Wirkungsweise
• Mechanismen der Resistenzentwicklung
• Unterscheidung nach Wirkungsspektrum und Wirkmechanismus.
• Beispiel: Beta-Lactam-Antibiotika (z.B. Penicillin)

Isolierung und Identifizierung von Pathogenen

• Mikrobiologische Kulturen (z.B. Eosin-Methylenblau Agarplatten)
• Serologische Methoden (z.B. ELISA, Western Blot)

Nosokomiale Infektionen

• Krankenhausinfektionen
• Pathogenitätsstrategien
• Koch'sche Postulate
• Neue Pathogene

Immunantwort

• Angeborene Immunantwort (z.B. Fresszellen, Zytokine, Komplementsystem)
• Adaptive Immunantwort (z.B. Antikörper, T-Zellen)
• Antigen-Präsentation und Antikörperproduktion.

Dieses Quiz untersucht die Unterschiede zwischen Bakterien und Archaea sowie weitere wichtige Konzepte der Mikrobiologie. Fragen umfassen phylogenetische Stammbäume, Biomasse von Mikroorganismen und verschiedene Stoffwechselwege wie Glykolyse und Fermentation. Teste dein Wissen über die fundamentalen Prinzipien der Prokaryoten!