Mibi 01: Fragen und Anwendungen

Mikrobiologie Vorlesung Teil 1: Mikrobiologie & Holobiont

• Die Vorlesung wird an der Hochschule Geisenheim University vom Institut für Mikrobiologie und Biochemie gehalten.
• Dozent ist Prof. Dr. Jürgen Wendland.
• Das Geisenheim Yeast Breeding Center (GYBC) wurde 1894 gegründet.
• Julius Wortmann übernahm die Leitung der Pflanzenphysiologischen Versuchsstation und gründete die Geisenheimer Hefe-Reinzucht-Station.

Leiter der Hefe-Reinzuchtstation

• Julius Wortmann leitete sie von 1894 bis 1924, Karl Kroemer von 1924 bis 1935, Hugo Schandel von 1937 bis 1966.
• Helmut Hans Dittrich leitete sie von 1966 bis 1993, Manfred Grossmann von 1994 bis 2018 und Jürgen Wendland seit 2019.

Modul Mikrobiologie

• Das Modul besteht aus Mikrobiologie Vorlesung und Mikrobiologie Praktikum.
• Es findet im 3. und 4. Semester statt.
• Modulverantwortlicher und Dozent ist Prof. Dr. Wendland.
• Die Sprache ist Deutsch.
• Es ist ein Pflichtmodul für die Studiengänge Weinbau und Oenologie sowie Getränketechnologie.
• Der Arbeitsaufwand beträgt 90 Stunden Präsenzzeit und 90 Stunden Eigenstudium.
• Es gibt 6 Kreditpunkte.
• Voraussetzungen nach Prüfungsordnung sind keine erforderlich.

Lernziele des Moduls

• Die Studierenden kennen die Bedeutung von Mikroorganismen für die Qualität von alkoholhaltigen und alkoholfreien Getränken.
• Sie können Mikroorganismen gezielt zur Qualitätssteigerung einsetzen oder qualitätsschädigende Keime verhindern.
• Sie kennen Maßnahmen zur Steuerung der Aktivität und des Stoffwechsels von Mikroorganismen.
• Sie können Untersuchungsverfahren zur Identifizierung von Mikroorganismen auswählen und eine Rückverfolgbarkeit gewährleisten.

Inhalte des Moduls

• Allgemeine Mikrobiologie: Selektion, Kultivierung, Cytologie, Physiologie, Taxonomie, Virologie, Genetik, Stoffwechsel, Gärungsformen.
• Spezielle Mikrobiologie: getränkerelevante Mikroorganismen, Dynamik und Eigenschaften von Reinkulturen und Mischpopulationen, mikrobielle Wege der Aromenbildung, Gentechnik, Betriebskontrolle.
• Das Praktikum umfasst Mikroskopie, Steriltechniken, Identifizierung und Kultivierung von Mikroorganismen sowie die Durchführung von Fermentationen.

Studien- und Prüfungsleistungen

• Modulprüfung: Klausur
• Studienleistung für das LV Mikrobiologie Praktikum: Protokoll und Anwesenheitspflicht

Voraussetzungen für die Vergabe von Leistungspunkten

• Erfolgreicher Abschluss der Studien- und Prüfungsleistungen Regelmäßige und aktive Teilnahme

Empfohlene Literatur

• Dittrich, H. und Großmann, M.: Mikrobiologie des Weines; Ulmer Verlag, Stuttgart, 2010
• Ribéreau-Gayon, P., Dubourdieu, D., Donèche, B., Lonvaud, A.: Handbook of Enology; Verlag John Wiley & Sons, Chichester (England), 2000
• König, H., Unden, G., Fröhlich, J. (eds.): Biology of Microorganisms on Grapes, in Must and in Wine; Verlag

Inhalte der Vorlesung

• Allgemeine Mikrobiologie: Holobiont, Bausteine des Lebens, Polymere, Zelle, Taxonomie, Wachstum, Metabolismus, Glykolyse, Gärung.
• Hefe Mikrobiologie: Hefe als System, Lebenszyklus, Genom, Genetik, Mikroben als Helfer oder Schaderreger in Fermentierungen, Aromabildung, Züchtung und Genetic Engineering.

Klausurinformationen

• Die Klausur bezieht sich auf Fragen aus dem Fragenkatalog.
• Der Fragenkatalog befindet sich jeweils am Ende einer Foliensammlung.
• Es können maximal 100 Punkte erreicht werden, zum Bestehen sind 50 Punkte erforderlich.

Wesentliche Lernziele

• Wissen um die tagesaktuelle Bedeutung von Mikroorganismen
• Wissen um die grundsätzliche Einteilung und den Aufbau von Mikroorganismen
• Verständnis von Stoffwechselprozessen, insbesondere Glykolyse und Gärungen – Biochemie
• Anwenden von mikrobiologischem Wissen im alltäglichen Leben und in der Praxis
• Umfangreiches Wissen über Hefen; einteilen in konventionelle und nicht-konventionelle Hefen, Crabtree positiv und negativ, Evolution und Ökologie
• Entwickeln von Strategien für die Gärführung
• Kritische Beurteilung von Prozessen im Weinberg und Weinkeller

Mikrobiologie: Definitionen und Dimensionen

• Definitionen der Mikrobiologie und den Dimensionen von Mikroben, sowie deren Verhältnis zu Mensch und Umwelt.

Definition der Mikrobiologie

• Mikrobiologie umfasst das Studium und die Arbeit mit Organismen, die so klein sind, dass sie nicht mit bloßem Auge sichtbar sind.
• Es ist die Wissenschaft, die sich mit der Erforschung von Mikroorganismen einschließlich ihrer Struktur, Funktion, Ökologie und Wechselwirkungen mit anderen Organismen befasst.
• Mikrobiologie besteht aus: Bakteriologie, Virologie, Protozoologie und Mykologie und Algologie.
• Mikrobiologie berührt: Chemie, Biochemie, Thermodynamik, Physik, Mathematik, Statistik, Geschichte, Methoden, Morphologie, Physiologie, Genomik, Taxonomie, Ökologie, allgemeine Biologie, Zellbiologie, Genetik, Phylogenetik, Geologie, Biogeochemie, Paläontologie, Medizin, Biotechnologie

Dimensionen

• Mikro entspricht 10^-6.

Dimensionen: Oberfläche zu Volumen

• Bei konstantem Volumen hat die Kugel die geringste Oberfläche.
• Mit steigendem Volumen wird der A/V Quotient kleiner – eine Fläche wächst mit x^2, das Volumen mit x^3.
• Die Abkühlrate von Massen ist proportional ihrer Oberfläche.
• Es folgt, dass große Körper langsamer auskühlen als kleine Körper.
• Die größte biologische Oberfläche auf der Erde wird durch Mikroorganismen repräsentiert und die metabolische Aktivität übersteigt die aller Pflanzen und Tiere.

Urväter der Mikrobiologie

• Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) war der Vater der Mikrobiologie und beobachtete und untersuchte Mikroben ab 1676 mit selbst gebauten Mikroskopen.
• Er experimentierte mit Mikroskopen aus Einzellinsen und nannte die Mikroben "Animalcula".
• Er entdeckte Bakterien.
• Robert Hooke erhielt 1663 von der Royal Society Aufgaben und prägte den Begriff die Zelle.
• Er untersuchte eine Nadelspitze, die Schneide einer Klinge, venezianisches Papier, versteinertes Holz, ein Schimmelpilz, etc.
• Er untersuchte auch Kork.

Mikrobiologie

• Die Abbildung zeigt Saccharomyces cerevisiae im Lichtmikroskop.
• Die Fluoreszenz Mikroskopie zeigt Hefezellen, die mit Calcofluor angefärbt wurden, um chitinreiche Septen hervorzuheben.
• Fluoreszenz Aufnahmen von Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans

Holbiont

• Ein Holobiont besteht aus Menschlichen Zellen + Mikroben

Rote Blutkörperchen

• Bei Säugetieren sind sie kernlos, was zu einer erhöhten Sauerstoffkapazität, verbesserter Verformbarkeit, längerer Lebensdauer und Energieeffizienz führt.

Der Holobiont und die Händewaschung

• 11% der Männer (3% der Frauen) waschen sich ihre Hände nach einem Gang aufs Klo gar nicht.
• Die Hälfte der Männer (18% der Frauen) benutzen keine Seife.
• Um sich die Hände richtig zu waschen, sollte man sie nass machen, Seife dazugeben und 20 Sekunden lang waschen.
• Dabei ist es egal, welche Seife man verwendet.

Hyclean

• Hyclean gewann den Deutschen Gründerpreis für Schülerinnen und Schüler 2021 mit einer färbenden.
• Schulklasse Schloss Hansenberg.

GEO-Mikrobiologie

• Fast die Hälfte aller DNA-Proben von U-Bahn Oberflächen passten zu keinem bekannten Organismus.
• Hunderte von Arten, zumeist harmlose, kommen in der U-Bahn vor.
• Mehr Passagiere bringen auch mehr Mikroben ein.
• Eine U-Bahn-Station, die während des Hurrikans Sandy überflutet wurde, ähnelt immer noch einer marinen Umgebung.
• Menschliche Allelfrequenzen – also DNA-Unterschiede – auf den Oberflächen spiegeln die Daten des US Census (einer Volkszählung) wider.
• Der Mikrobielle Spezies des Zuges ist einzigartig und es den verschiedenen U-Bahn-Linien eine beträchtliche Bandbreite an mikrobieller Vielfalt gibt.
• Die Bronx war die Stadt mit der größten Artenvielfalt, gefolgt von Brooklyn, Manhattan und Queens. Staten Island war die Stadt mit der geringsten Vielfalt.

Mikrobiome des Menschen

• Wichtige Erkenntnisse über menschliche Mikrobiome.
• Es gibt unterschiedliche Mikrobiome in verschiedenen Regionen des Körpers.
• Lourens G. M. Baas Becking sagte: „alles ist überall: maar het milieu selecteert" (Baas Becking, 1934).
• Mikrobielle Geographie wird durch Mikroben verursacht , die mit Tieren assoziiert sind, somit ist die Verbreitung der Mikroorganismen an die Verbreitung des Wirtes geknüpft ist (Martiny et al., 2006). WHO fungal .

Pilze

• Es gibt eine WHO fungal priority list.
• Candida auris, Candida albicans, Aspergillus fumigatus, Cryptococcus neoformans

Microbe of the day Candida albicans

• Candida albicans ist ein Hefepilz, welcher bei rund drei Viertel aller Menschen dauerhaft Schleimhäute in Mund und Darm sowie die Haut besiedelt.
• Das Immunsystem hält den Pilz normalerweise unter Kontrolle.
• Bei geschwächter Abwehrkraft wird Candida albicans zum Problem und kann in die Blutbahn gelangen.
• Eine Behandlung wird immer schwieriger, weil Resistenzen zunehmen.
• Die Übertragung erfolgt durch direkten oder indirekten Kontakt mit kontaminierten Personen oder Gegenständen.
• Jedes Jahr erkranken weltweit mehr als eine Milliarde Menschen an Pilzinfektionen.
• Größtenteils oberflächliche Infektionen, dennoch sterben jährlich rund 1,7 Millionen an den Folgen.
• Häufiger Auslöser dieser lebensgefährlichen Infektionen ist C. albicans.
• Vulvovaginale Candidiasis ist eine der häufigsten Infektionen des weiblichen Genitaltraktes.
• Auslöser ist meist Candida albicans (85 bis 90 Prozent), gefolgt von Candida glabrata, Candida Tropicalis und anderen.
• Eine Pilzinfektion machen die meisten Frauen im Leben durch - Schätzungen zufolge sind es etwa 70 bis 75 Prozent der Frauen. Fast jede zweite Frau hat sogar häufigere Pilzinfektionen.

Wichtige Fakten zu Candida albicans

• Candida albicans ist ein Pilzpathogen, der Teil des gesunden menschlichen Mikrobioms sein kann, aber auch Infektionen der Schleimhäute oder invasive Candidiasis hervorrufen kann.
• Invasive Candidiasis ist eine lebensbedrohliche Krankheit mit hoher Sterblichkeit.
• Eine Behandlung ist möglich und eine antimykotische Resistenz ist selten (gering).
• Es ist ein weltweit verbreiteter pathogener Hefepilz.
• Er verursacht unter gesunden Bedingungen keinen Schaden, aber er kann in Schleimhäuten Krankheiten verursachen.
• In Schleimhäuten verursacht er Krankheiten wie oropharyngeale Candidose, Speiseröhren-Candidose, Vulvovaginal-Candidose und kutane Candidose.
• Schwerwiegender ist, dass C. albicans invasive Infektionen des Blutes, des Herzens, des zentralen Nervensystems, der Augen, Knochen und inneren Organe mit hoher Sterblichkeit verursachen kann.
• Besonders betroffen sind schwerkranke und immungeschwächte Patienten.
• Die Gesamtmortalität bei invasiver Candidose liegt trotz der Verfügbarkeit aktiver antimykotischer Behandlungen zwischen 20 % und 50 %.
• Die Dauer beträgt Krankenhaus bis zu 2 Monate.

Behandlung von Pilzinfektionen

• Es gibt verschiedene Produkte zur Behandlung von Pilzinfektionen.

Candida auris

• Anstieg von Candida-auris-Fällen und erste nosokomiale Übertragungen in Deutschland.
• Candida auris ist eine neue Art, weltweit ausbreitet.
• Resistente gegenüber Fluconazol und kann kann auch gegen weitere Antimykotika eine Resistenz entwickeln.

News

• Es geht um Resistenzen – Landwirtschaft und Pilzerkrankungen

Azole in der Landwirtschaft

• Azole sind die am häufigsten verwendeten Fungizide und kommen im Getreide- sowie im Obst- und Weinbau zur Anwendung gegen Mehltau oder Schorf.
• BASF bietet mit Belanty ein Azol-Fungizid mit dem Wirkstoff Revysol an.
• Revysol ist die Startschuss für eine neue Generation von Azol-Fungiziden für hohe Ansprüche an die biologische Wirksamkeit und bekämpft ein breites Pilzspektrum im Wein- und Obstbau.
• Die langfristig erteilte Wirkstoffregistrierung bestätigt das vorteilhafte regulatorische Profil.
• Mefentrifluconazole in der Landwirtschaft.

Mefentrifluconazole in der Landwirtschaft

• Zugelassen in China für Reis, auch zugelassen in der EU
• Geringe Wasserlöslichkeit gut fürs Grundwasser , geringe Toxizität.
• Belanty zeichnet sich als neues Produkt durch ein breites Wirkungsspektrum.
• Durch die einzigartig bewegliche Molekülstruktur ist auch bei mutierten Pilz- Stämmen hochwirksam
• In Kombination mit optimal auf den Wirkstoff abgestimmten Formulierung hervorragende kurative Wirkung bei bereits erfolgten Infektionen
• Die schnelle Aufnahme gewährleistet sofortige Wirkung und schützt zudem sicher vor Verlusten durch Witterungseinflüsse wie Regen und Sonneneinstrahlung

Schutzkulturen des Holobionten

• Lactobazillenarten, z.B. Lactobacillus crispatus, Lactobacillus jensenii und Lactobacillus gasseri begünstigen ein gesundes Vaginalmikrobiom.
• Sie säuern das Milieu durch ihre Milchsäuregärung an und hemmen die Candida-Invasion durch die Produktion von Wasserstoffperoxid (H2O2).
• Allerdings sind einige H2O2-Bildner opportunistische Pathogene, wie Streptococcus pyogenes, Streptococcus mutans oder Streptococcus pneumoniae.
• Scharlach wird durch Streptococcus pyogenes verursacht.

Microbe of the day: Lactobacillus

• Lactobacillus ist eine Gattung Gram-positiver, meist stäbchenförmiger Bakterien und gehört zu den Milchsäurebakterien.
• Sie erzeugen Milchsäure durch Gärung, indem sie aus Pyruvat Laktat bilden und sind wichtig für die Lebensmittelindustrie (Milchprodukte und Bierspezialitäten wie Berliner Weiße und Leipziger Gose).
• Sie bilden keine Endosporen, sind meist nicht aktiv beweglich (keine Flagellen) und wirken für den Menschen als probiotische Mikroorganismen.
• Die Größe der Genome variierte zwischen 1,8 und 3,3 MB, mit einem G+C-Gehalt zwischen 33% und 51 %.
• Das Lactobacillus pan-Genom besteht aus etwa 14.000 proteinkodierenden Genen.
• Es kommen auf natürliche Weise auf Schleimhäuten vor, insbesondere im Magen-Darm-Trakt, in der Vagina und in der Mundhöhle
• Milchsäurebakterien – sind auxotroph für zahlreiche Aminosäuren
• Aminosäuren für die wechselseitigen oder kommensalen Wechselwirkungen mit L. lactis verantwortlich sind.
• Siehe sind auh wichtige bestandteile von Kumys.
• Milchsäuregärung und Biologischer Säureabbau

Milchsäuregärung

• Aus Pyruvat wird Laktat gebildet und ist nicht Malo-Laktische Fermentation.
• Aus Malat /Äpfelsäure wird Laktat gebildet.

Joghurt-Kulturen Systematik

• Domäne Bakterien
• Abteilung Actinobacteria
• Klasse Actinobacteria
• Ordnung Bifidobacteriales -FamilieBifidobacteriaceae
• GattungBifidobacterium
• Streptococcus thermophilus (45°C) -Lactobacillus delbrückii subsp. Bulgaricus -Lactobacillus acidophilus
• Bifidobacterium lactis
• Probiotisch:: aktiv als lebende Kultur.
• Bifidobakterien werden in als Bacillota bezeichnet.
• Bakterien haben in der Darmflora eine kontrollierende Rolle und sie bilden das Toxin “Bifidin womit sie die Vermehrung von gesundheitsschädigenden Darmbakterien verhindern können
• Den größten Teil unserer Bifidobakterien erhalten wir bereits mit der Muttermilch. Denn etwa 95 Prozent der Darmflora eines Säuglings besteht aus Bifidobakterien.
• Oenococcus oeni ist ein Gram-positives Bakterium aus der Ordnung der Milchsäurebakterien (Lactobacillaceae).
• Kennzeichnend für diese Bakterien ist die Milchsäuregärung, ein fermentativer Stoffwechsel, bei dem Milchsäure als Endprodukt auftritt.
• Wie alle Gattungen der Familie Leuconostocaceae, ist O. oeni obligat heterofermentativ.
• O. oeni ist der bevorzugte Organismus in der Weinherstellung für die MLF.
• O. oeni ist acidophil, zeigt also gutes Wachstum bei niedrigen pH-Werten.
• O. oeni toleriert große Mengen von Alkohol und kann daher in Medien mit 10% Ethanolanteil kultiviert werden.

Das Microbiome und die Langlebigkeit

• Lactobacillen gehören zum Stamm als Bacillota heute bezeichnet.
• Mikrobiome können die Gesundheit verbessern.
• Durch die Geburt fehlten Neugeborenen, die per Kaiserschnitt zur Welt kamen, der Studie zufolge oft die Darmbakterien, die bei gesunden Kindern und Erwachsenen vorkommen.
• Neugeborene haben nun andere Bakterien
• Lawleys Team arbeitete mit Hebammen und Ärzten in drei Krankenhäusern in London und Leicester zusammen und entnahm Proben und analysierte die DNA von Mikroben, die im Stuhl von 596 Babys gefunden wurden

Der Mensch – Nischenspezifische Mikrobiome

• Die Mundhöhle umfasst verschiedene mikrobielle Lebensräume.
• Es gibt Unterschiedliche Mikroben.

Nischen im Körper

• Mikroben sind fas in Nase und Ohren und in unserem Haar

Keimreduktion

• Es gibt eine hohe Bakterien anzahl in unserem Schlaffen, der sich durch Waschem reduzueren lässt und die Hautmikroben können mit Bacitracin reduziert werden.

Schadliche Bakterien

• Es geht um FSME-Risikogebiete in Deutschland
• Doxycyclin wird bei Borreliose verwendet
• Auch Borreliose kann durch Zecken übertragen.

Microbe of the day

• Die Borreliose wird durch die Bakteriengattung Borrelia verursacht.
• Häufigste Art ist die Borrelia burgdorferi.
• Betrifft Menschen und Tiere - Verursachen die Borrelliose bei Tiere wie Pferd, Hund, aber auch Menschen.
• Sie kommen ganz ohne Eisen aus und nutzen Mangan.

Microbe of the day

• Staphylokokken besiedeln als Kommensalen unsere Haut.
• Sie können Hautinfektionen, wie zum Beispiel Haarbalg-Entzündungen, auslösen.
• Diese sind jedoch meist harmlos und selbstheilend.
• Problematisch wird es erst, wenn Staphylokokken in den Körper eindringen.
• Dort können sie zu Entzündungen von Wunden, schweren Eiterungen und zur Sepsis (Blutvergiftung) führen.
• Staphylokokken sind oft antibiotikaresistent, insbesondere multiresistente Staphylococcus aureus, der Krankenhauskeim MRSA. Eap wird nur selten abgewehrt.

Microbe of the day Malassezia

• Talkdrüsen der Haare vorkommen und ist auch ein Kommensale von anderen Säugetieren, z.B. auch bei Hunden. Malassezia furfur benötigt langkettige Fettsäuren, daher im Bereich der Haare.
• Sie sind die Malassezia furfur ist ein Hefepilz und Bestandteil der normalen normalen Hautflora ist.
• Gehört zu den Basidiomyceten.

Urväter der Mikrobiologie.

• Es gibt viele Bakterien in der Luft und auf unserem Kopfkissen.

Vergangenheit

• Louis Pasteur befasst sich mit Entdeckungen über die Prinzipien der Impfung, sowie mikrobielle Fermentationen und die Pasteurisierung.
• Ferdinand Cohn war es ebenfalls forsche in Mikromilieu
• Miasma= schlechte Luft
• Pestarzt- der Schnabeldoktor
• “Schweizer Tod = Pest und der Max von Pettenkofer

Urväter der Mikrobiologie

• Ferdinand Cohn studierte Pflanzen und Bakterien , ordnerte Alge als Pflanzen und benutzte morfologische kriteiren .
• Die Klausur beschäftigt sich mit folgenden Thema:
• Was ist ein Oliobionten ?
• Bennede drei mikoben und nenen die Merkmale ?
• Nennedrei Pionere und ihre Werke.

Dieser Fragenkatalog dient dazu, Ihr Verständnis der Mikrobiologie zu überprüfen und zu vertiefen. Er behandelt Themen von Lernzielen bis zur praktischen Anwendung mikrobiologischen Wissens in Weinbau und Brauerei. Ziel ist es, Ihr kritisches Denken anzuregen.