Mikrobiologie - Einführung in Mikroorganismen

Mikrobiologie - Einleitung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller erst vor etwa 600 Millionen Jahren, und Homo sapiens vor ca. 130.000 Jahren.
• Prokaryoten sind eine Domäne, die Bakterien und Archaea umfasst. Eucaryoten bilden die dritte Domäne.
• Mikroorganismen umfassen Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen und Viren.
• Die Phylogenetische Stammesgeschichte wird durch die Knoten (gemeinsamer Vorfahre) und die Kantenlänge (Zeitverhältnis) dargestellt.
• Systematische Kategorien der Bakteriologie umfassen Domänen, Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art.

Unterschiede Bakterien & Archaea

• Zellwand, Membran, Lipide und Stoffwechsel weisen Unterschiede auf.
• Archaea sind gegenüber Antibiotika resistenter.
• Archaea sind eukaryotischen Organismen ähnlicher als Bakterien.
• Typische Bakterien sind Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis.
• Typische Archaea sind extremophile und methanproduzierende Organismen wie Picrophilus torridus und Methanocaldococcus jannaschii.

Bakterien

• Mit einem Durchmesser von 1 µm und einem Volumen von 1 µm³ haben Bakterien ein Oberflächen-Volumen-Verhältnis von 1.
• Hefen haben einen Durchmesser von 10 µm und ein Volumen von 1000 µm³.
• Der typische Mensch hat eine Generationszeit von 20 Stunden.

Kochs Postulate

• Der Erreger muss im kranken Tier nachweisbar sein.
• Der Erreger muss in Reinkultur isoliert werden.
• Der „reine" Erreger muss im gesunden Tier dieselbe Krankheit hervorrufen.
• Der Erreger muss wieder vom infizierten Tier isolierbar sein.

Bedeutung von Mikroorganismen

• Mikroorganismen stellen 70 % der Biomasse in der organischen Substanz dar.
• Sie sind in der Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie und Agrarbiologie von entscheidender Bedeutung.
• Geochemische Stoffkreisläufe werden maßgeblich von Bodenbakterien beeinflusst.
• Cyanobakterien sind photoautotrophe Organismen, die essenziell für die Nahrungskette sind.
• Darmflora und Hautflora beeinflussen das Immunsystem und die Verdauung.

Molekularbiologische Methoden

• DNA- und RNA-Sequenzierung
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken, um Proteine nach Größe zu sortieren.

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Merkmale sind Farbe, Größe, Geruch, Oberfläche und Konsistenz der Kolonie.
• Die Eigenschaften der Kolonie können Hinweise auf bestimmte Organismen geben.

Bakteriengenform

• Kokken (kugelförmig): Streptokokken, Diplokokken, Sarcinen, Staphylokokken.
• Stäbchen (bacillusförmig): Kokkobazillus, Bazillus, Diplobazillus, Palisaden, Streptobazillus
• Andere Formen: Vibrio, spirillar, fadenförmig, spirochätenförmig.

Biofilm

• Mikroben besiedeln Oberflächen in einer Schleimschicht, EPS (extracelluläre Polymere).
• Biofilme sind in der Regel resistenter gegen Antibiotika.
• Biofilme an Oberflächen können viele Prozesse steuern.

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Bakterien in einem Biofilm.
• Abhängig von der Populationsdichte.
• Steuerung der Genexpression.

Ernährung

• Heterotrophe Bakterien benötigen organische Substanzen als Energie- und Kohlenstoffquelle.
• Autotrophe Bakterien benötigen anorganische Substanzen zur Energiegewinnung.
• Auxotrophe Bakterien haben einen fehlenden Stoffwechselweg zur Produktion von bestimmten Substanzen.
• Photoautotrophe Bakterien verwenden Lichtenergie als Energiequelle.
• Chemotrophe Bakterien verwenden chemische Reaktionen für ihre Energiegewinnung.
• Mikroorganismen benötigen als Energiequellen (z.B. Kohlenstoff) organische oder anorganische Verbindungen.
• Unterschiedliche optimale pH- bzw. Temperaturwerte sind wichtig für verschiedene Mikroorganismen.

Stoffwechselvielfalt

• Energiequellen sind entweder chemisch oder Licht.
• Reduktionsäquivalente sind organische oder anorganische Verbindungen.
• C-Quellen sind organische oder anorganische Verbindungen und beeinflussen das Stoffwechselverhalten.
• Temperaturbereiche (niedrig, mittel, hoch, sehr hoch)
• pH-Bereich (niedrig, mittel, hoch), ist essenziell für den Stoffwechsel.

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstrich von einer Oberfläche (z.B. Wattestäbchen).
• Ausdünnung oder weitere Aufbereitung
• Anlegen einer Kultivierung

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedien liefern viele Nährstoffe und ermöglichen ein schnelleres Wachstum.
• Minimalmedien enthalten Minimalmengen an Nährstoffen, um Wachstum bestimmter Mikroorganismen zu prüfen/unterstützen.
• Selektivmedien erlauben es, nur bestimmte Bakterien zu kultivieren.
• Differentialmedien helfen, verschiedene Arten voneinander zu unterscheiden.

Drei-Ösenausstrich

• Methode zur Reinkulturgewinnung.
• Das Verfahren wird in drei Schritten angewendet, um Reinkulturen zu gewinnen (durch Sterilisation der Impföse).

Gußplattenverfahren

• Methode zur Keimzahlbestimmung.
• Das Vorgehen beinhaltet Verdünnungsschritte, Einbringen von Nährmedien, Aushärten, Inkubation und Zählung.

Aufbau von Bakterienzellen

• Zellwand, Zellmembran, Zytoplasma, Genom (Chromosom), Ribosomen, Plasmide, Pili, Geißeln.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken, um Proteine nach Größe zu sortieren

Stoffwechsel

• Katabolismus (Abbau) und Anabolismus (Aufbau), sind die Grundbestandteile des Stoffwechsels.
• Energiegewinnung ist ein essentieller Bestandteil des Stoffwechsels, dabei werden komplexe Enzyme verwendet.
• Energieübertragung erfolgt über Moleküle wie ATP.

Bioenergetik

• Untersucht die Energieumwandlungen in Lebewesen.
• Gibbs-Helmholtz-Gleichung beschreibt Veränderungen des Energiegehalts (Gibbs Free Energy).
• Exergone Reaktionen: Energiefreisetzung (AG<0)
• Endergone Reaktionen: Energiebedarf (AG>0)
• Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Senkung der Aktivierungsenergie.

Klasse der Enzyme

• Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen.

Bioenergetische Grundlagen

• Die Reaktionen des Stoffwechsels folgen den Gesetzen der Thermodynamik.
• Energie wird in Form von ATP gespeichert.
• Bioenergetik beinhaltet den Aufbau von Makromolekülen, um die Zellfunktion zu gewährleisten.

Kohlenstoffquellen

• Organische Verbindungen (heterotroph)
• CO₂ (autotroph).

Stickstoffquellen

• Organische Verbindungen, anorganische Verbindungen (z. B. NH4+, NO3-), oder atmosphärischer Stickstoff (N2)

Katabolismus

• Abbau energiereicher hochmolekularer Verbindungen (z. B. Glucose)
• Freisetzung von Energie, die für den Anabolismus verwendet wird.

Anabolismus

• Aufbau hochmolekularer Verbindungen (z. B. Proteine, Nukleinsäuren) aus kleineren Vorstufen.
• Erfordert Energie, die hauptsächlich aus dem Katabolismus gewonnen wird.

Sporenbildung

• Hitzeresistente, physiologisch inaktive Dauerformen von Bakterien.
• Entstehen als Reaktion auf Nährstoffmangel.
• Keimfähigkeit kann für lange Zeit erhalten bleiben.

Gentechnik

• Anwendung moderner molekularbiologischer Methoden zur Änderung genetischer Eigenschaften.
• Herstellung von Proteinen (z.B., Insulin)
• Herstellung von transgenen Pflanzen und Tieren.
• Gentherapien, Gendiagnostik, somatische Gentherapie (durch CRISPR/Cas9).

Restriktionsenzyme

• Enzyme, die spezifische DNA-Sequenzen erkennen und schneiden.
• Anwendung in der Gentechnik zum Klonieren und manipulieren von DNA.
• Schneiden von DNA an bestimmten Stellen, um Fragmente zu gewinnen.

PCR (Polymerase Chain Reaction)

• Methode zur Vervielfältigung von DNA-Sequenzen.
• Benötigt DNA-Template, Primer, dNTPs, Puffer, DNA-Polymerase.
• PCR-Schritte: Denaturierung, Annealing, Elongierung.

Klonierung

• Einsetzen von DNA-Fragmenten in Vektoren (z. B. Plasmide).
• Vermehrung in Wirtszellen.
• Selektion von Zellen mit rekombinierter DNA.
• Produktion von rekombinanten Proteinen.

Genetischer Austausch

• Transformation, Konjugation und Transduktion
• Übertragung von genetischem Material zwischen Bakterien.

Gram-Färbung

• Unterscheidet grampositive und gramnegative Bakterien anhand ihrer Zellwände.

DNA-Polymerase

• Enzyme, die neue DNA-Stränge synthetisieren und korrigieren.

DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation, DNA-Polymerase spielt eine Schlüsselfunktion.

Transkription

• Synthese von RNA aus einer DNA-Vorlage (DNA-Polymerase)
• Herstellung von mRNA, tRNA und rRNA.

Nochmal Stoffwechsel

• Metabolismus umfasst Katabolismus (Abbau) und Anabolismus (Aufbau).
• Energiequellen sind Licht oder chemische Reaktionen.
• Elektronendonatoren sind organische oder anorganische Verbindungen.

Zellwand

• Zellwände von Prokaryonten bestehen aus Murein.
• Gram-positive Bakterien haben eine dickere Zellwand als gram-negative.

Polymerasekette-Reaktion (PCR)

• Methode zur Vervielfältigung von DNA-Sequenzen
• Benötigt DNA-Vorlage, Primer, Nukleotide und Hitzestabile Polymerase (Taq-Polymerase).

Gärung

• Anaerobe Energiegewinnung aus Zuckern.
• Zwischenprodukte können Ethanol, Milchsäure, Essigsäure oder andere Substanzen sein.
• Es werden weniger ATPs produziert als bei der aerober Atmung.

Atmung

• Chemoorgano-trophe Bakterien übertragen Elektronen auf Sauerstoff (letzter Elektronenakzeptor).
• Energiegewinnung durch Oxidation von organischen Verbindungen

Nochmal ATP-Synthese

• ATP-Synthese ist ein Vorgang in den meisten Lebewesen.
• ATP-Synthetase ist das Enzym für die ATP-Produktion.
• Die ATP-Synthese nutzt den elektrochemischen Gradienten über die Membran.

Polysaccharide, Stärke und Glykogen

• Speicherung von Kohlenstoffen in der Zelle.
• Durch Polymerisation von Glucose entsteht Stärke und Glykogen.
• Zellwände enthalten Polysaccharide .

Aminosäuresynthese und Biosynthese von Nukleotiden

• Wichtige Moleküle in Zellen.
• Biosynthese benötigt unterschiedliche Enzymaktivitäten und Zwischenprodukte.
• Schlüsselintermediate aus dem Zitronensäurezyklus und Glykolyse.

Biotechnologie

• Nutzung von Mikroorganismen durch Fermentierung, biotechnologische Verfahren & Genexpressionstechniken
• Anwendung in Medizin, Landwirtschaft, Umwelt.

Mikrobiologie - Infektiöse Erkrankungen

• Infektionen als Folge der Vermehrung von Krankheitserregern.
• Einteilung in Endemie, Epidemie, Pandemie.
• Ursachen von Infektionen sind oft mangelnde Hygiene oder ungünstige Lebensumstände.

Nosokomiale Infektionen

• Krankenhausinfektionen sind schwere medizinische Erkrankungen.
• Übertragungsmechanismen von Bakterien sind unterschiedlich.
• Wichtige Wege zur Vorbeugung von Krankenhausinfektionen umfassen Hygiene.

Pathogenität, Antibiotika

• Unterscheidung zwischen obligat und fakultativ pathogener Mikroorganismen.
• Pathogenität: Fähigkeit des Erregers zu Krankheitserregung
• Resistenzmechanismen von Bakterien gegen Antibiotika.
• Einteilung nach dem Wirkmechanismus der Antibiotika, Wirkungsspektrum, Einstufung nach Resistenz.

Dieser Quiztest bietet eine umfassende Einführung in die Mikrobiologie, einschließlich der Geschichte von Mikroorganismen, der Vielfalt von Prokaryoten und Eukaryoten sowie den Unterschieden zwischen Bakterien und Archaea. Es werden grundlegende Konzepte behandelt, die für das Verständnis der Mikrobiologie entscheidend sind.