Mikrobiologie: Prokaryoten und ihre Eigenschaften

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller erst vor ca. 600 Millionen Jahren.
• Homo sapiens gab es vor ca. 130.000 Jahren.
• Progenoten sind die Urformen von Mikroorganismen.
• Mikroorganismen werden in drei Domänen eingeteilt: Bakterien, Archaea und Eucaryoten (basierend auf RNA-Sequenzvergleichen).
• Die wichtigsten Gruppen von Mikroorganismen sind Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen und Viren.
• 1837 skizzierte Darwin einen ersten Stammbaum des Lebens.
• Phylogenetik befasst sich mit der Stammesgeschichte von Lebewesen.
• Der phylogenetische Stammbaum zeigt die evolutionäre Geschichte zwischen zwei Arten.
• Knoten im Stammbaum repräsentieren gemeinsame Vorfahren.
• Die Kantenlänge des Stammbaums gibt das Verhältnis der Zeit an.

Systematik der Bakteriologie

• Die wichtigsten Kategorien der Bakteriologie sind Domäne, Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art.

Unterschiede zwischen Bakterien und Archaea

• Zellwände, Membranen und Lipide unterscheiden sich.
• Stoffwechselvariationen bestehen.
• DNA/RNA-Sequenzen weisen Unterschiede auf.
• Archaea sind resistenter gegen Antibiotika als Bakterien.
• Archaea weisen mehr Gemeinsamkeiten mit Eukaryoten auf als mit Bakterien.
• Typische Beispiele für Bakterien sind Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis.
• Typische Beispiele für Archaea sind extremophile und methanproduzierende Mikroorganismen wie Picrophilus torridus und Methanocaldococcus jannaschii.

Größen- und Zeitvergleiche

• Der Durchmesser von Bakterien variiert; einige Beispiele sind Escherichia coli (1µm), Staphylococcus aureus (1-3µm).
• Die Generationszeit von Bakterien variiert, sie liegt zwischen 0,3-1 Stunden oder mehr.

Bedeutung von Mikroorganismen

• Mikroorganismen stellen einen großen Teil der Biomasse (70%) dar.
• Sie spielen in Ökosystemen, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie, Evolution und Agrarbiologie eine wichtige Rolle.

Koch'sche Postulate

• Ein Erreger muss in kranken Tieren identifiziert sein.
• Der Erreger muss in reiner Kultur isoliert werden.
• Der rein isolierte Erreger muss bei einem gesunden Tier die gleiche Krankheit hervorrufen.
• Der Erreger muss aus dem infizierten Tier wieder isoliert und identifiziert werden können.

Bedeutung von Mikroorganismen in Medizin und Ökologie

• Mikroorganismen sind Teil des Stoffwechsels und der chemischen Kreisläufe in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen.
• Cyanobakterien betreiben Photosynthese.
• Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von C und N unter anderem im Boden.
• Bakterien können als Symbionten in Organismen leben, beispielsweise im Darm.

Biotechnologische und gentechnische Bedeutung

• In der biotechnologischen Nutzung sind Bakterien wichtig für die Produktion von Stoffen wie Antibiotika und Enzymen, sowie zur Wasseraufbereitung.
• Gentechnische Anwendungen:
• Modifikation der Gene in Organismen, Herstellung von Proteinen, Erstellung von transgenen Tieren und Pflanzen.
• Diagnostik, Gentherapie und somatische Gentherapie.

Molekularbiologische Methoden in der Mikrobiologie

• Sequenzierung von DNA und RNA.
• Analyse der Genexpression.

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Die Form und Farbe der Bakterienkolonien können zur Unterscheidung genutzt werden.
• Andere Eigenschaften sind Geruch, Konsistenz, Form der Kolonieränder, Profil (Oberfläche).

Bakterienformen

• Kokken (runde Formen, z.B., Diplokokken (Paare), Streptokokken (Ketten))
• Stäbchen (z.B., Kokkobazillen, Bazillen, Streptobazillen)
• Andere Formen z.B., Spirillen (spiralförmig), Spirochäten

Biofilm

• Biofilme sind Schichten von Mikroorganismen, die an Grenzflächen ansiedlung, eingebettet in eine gelartige Matrix von extrazellulären Polymeren.
• Biofilme schützen vor Strahlung, chemischen Substanzen oder anderen Umwelteinflüssen

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Bakterien in einem Biofilm.
• Die Konzentration der Signalmoleküle steuert die Genexpression.

Wachstum von Bakterien

• Lag-Phase, Log-Phase, Stationäre Phase, Zelltod-Phase

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Photoautotroph: Energie aus Licht, CO2 als Kohlenstoffquelle
• Chemoautotroph: Energie aus chemischen Reaktionen, CO2 als Kohlenstoffquelle
• Heterotroph: Energie und Kohlenstoff aus organischen Verbindungen
• Auxotroph: benötigt andere organische Verbindungen als Nährstoffe
• Prototroph: kann alle benötigten Nährstoffe selbst herstellen

Stoffwechselvielfalt von Bakterien

• Energie(Quelle): Chemotroph (chemisch) oder Phototroph (Licht)
• Reduktionsäquivalente (Quelle): Organotroph (organisch) oder Lithotroph (anorganisch)
• Kohlenstoffquelle: Autotroph (CO₂) oder Heterotroph (organisch)

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstrich
• Wattestäbchen, Impföse
• Gußplattenverfahren

Medien für Bakterienkulturen

• Vollmedium und Minimalmedium
• Differenzierung und Selektivität von Lebensmitteln

Drei Ösausstrich

• Vereinfachte Isolierung von Mikroben

Gußplattenverfahren (Keimzahlbestimmung)

• Verdünnung der Proben, Aussaat auf Agarplatten.
• Messung der Kolonienzahlen.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Western Blot-Analysen (Proteinuntersuchung).

Aufbau einer Bakterienzelle

• Zellwand, Zellmembran, Zytoplasma, Chromosom, Ribosomen, Plasmide, Pili, Geißeln.

Transport über die Zellmembran

• Diffusion (passiv)
• Primärer Transport (Aktiver Transport)
• Sekundärer Transport (Carrier-vermittelt)
• Antiport, Symport, Uniport.

Gram-Färbung

• Unterscheidungsmerkmal: Zellwandaufbau (Gram-positiv vs. Gram-negativ)

Sporen von Bakterien (Endosporen)

• Ruheform, hitzeresistent
• Spezialisierte Form, die zur Überlebensfähigkeit dient
• Entfaltung (Keimung)- Reaktion auf ungünstige Bedingungen.

Endosymbiontentheorie

• Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten sind von Bakterien abgeleitet.
• Sie leben in symbiotischer Beziehung mit ihren Wirtszellen.
• Gemeinsamkeiten:
• Zirkuläre DNA in Nukleoiden
• Eigenständige Replikation
• rRNA Ähnlichkeit
• Polymerase

Genetik der Bakterien

• Zellkern (Nukleoid)
• Plasmide (extrachromosomale DNA)

DNA-Strukturen, -Replikation und -Polymerasen

• DNA-Doppelhelix
• Halbkonservative Replikation
• DNA-Polymerasen (I, II, III).
• Enzyme und Funktion

Transkription RNA-Synthese

• RNA-Polymerase
• Initiation, Elongation, Termination
• Das Ergebnis ist mRNA (messenger-RNA).

Mikrobiologie - Biotechnologie

• Geschichte der Biotechnologie bei der Herstellung von Nahrungsmitteln und Getränken.
• Biotechnologie zur Herstellung von Proteinen und anderen Substanzen.
• Gen-Diagnostik
• Gentechnik zur Modifizierung von Pflanzen und Tieren
• Gentechnik bei Krankheiten. - CRISPR/Cas.

Restriktionsenzyme

• Erkennen spezifische DNA-Sequenzen.
• Schneiden der DNA an spezifischer Stelle.
• Isolierung und Verwendung von Restriktionsenzymen in der DNA-Manipulation.
• Isoschizomere (gleiche Erkennungssequenzen, gleiche Schnittstelle)

PCR (Polymerase-Kettenreaktion)

• Vervielfältigung von DNA-Sequenzen.
• Nachweis und Analyse von Zielsequenzen.
• Schritte: Denaturierung, Annealing, Elongation
• Nutzung von Primern, DNA-Polymerase, Nucleotide.

Klonieren von DNA

• Herstellung von mehreren Kopien einer bestimmten DNA-Sequenz.
• Klonierungsvektoren (Plasmide).
• Verwendung von Restriktionsenzymen und Ligasen.

Genetischer Austausch zwischen Bakterien

• Transformation: Aufnahme von freier DNA aus der Umgebung.
• Konjugation: Übertragung von DNA zwischen Bakterien über eine Verbindung.
• Transduktion: Übertragung von DNA durch Viren.

Bakterienwachstum und -Vermehrung

• Die Wachstumskurve der Bakterien besteht aus verschiedenen Phasen (z.B. Lag-Phase, exponentielle Wachstumsphase).
• Die Kultur wird zu einer höheren Keimzahl heranwachsen.

Homofermentative Milchsäuregärung, Alkoholische Gärung

• Energiegewinnung aus Glukose ohne Sauerstoff
• Zwei verschiedene Wege, die endogene Produkte (Milchsäure oder Alkohol) produzieren.
• Faktoren, die den Stoffwechselweg beeinflussen

Bioenergetik

• Definition von Energie, Energieerhaltung, und Beziehung zu Gibbs-Helmholtz Gleichung.
• Die Energie für die chemischen Reaktionen wird vom Lebewesen aus der Umwelt bezogen.

Enzyme

• Beschreiben Sie die Eigenschaften der Enzyme.
• Beschriften Sie die Funktion der einzelnen Enzyme
• Energieumwandlung und Gewinnung.
• Beschreiben Sie den Prozess der chemischen Reaktionen durch Enzyme.

Stoffwechsel

• Katabolismus und Anabolismus
• Kohlenstoffquellen für Auto- und Heterotrophe
• Energiequellen
• Stoffwechselwege: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette
• Prinzipien der Energiegewinnung

Mikrobiologie - Infektion und Immunabwehr

• Definition der Infektion.
• Kategorien der Infektionen (Endemie, Epidemie usw.).
• Ursachen der Krankheiten
• Möglichkeiten der Übertragung
• Pathogenitätsstrategien, die von Mikroorganismen eingesetzt werden (Adhärenz, Invasion, Spreading)
• Untersuchung durch Koch'sche Postulate
• Bakterielle und Virale Infektionen
• Immunabwehr: Angeborene und adaptive Immunantwort
• Antikörper, Antigen, Zytokine, Lymphozyten, Fresszellen

Mikrobiologie - Keimreduktion und Antibiotika

• Methoden zur Keimreduktion
• Verfahren zur Sterilisation und Desinfektion
• Wirkung von Antibiotika
• Entstehung von Antibiotikaresistenzen
• Nutzung von Antibiotika in der Medizin

Mikrobiologie - Kläranlagen

• Verfahren zur Reinigung von Abwässern
• Nutzung von Mikroorganismen zur Abwasserreinigung.

Mikrobiologie - Rote, Grüne & Blaue Biotechnologie

• Verfahren zur Anwendung von Mikroorganismen
• Nutzung der Mikroorganismen in der Industrie.

Isolierung und Identifizierung von Pathogenen

• Verfahren zur Isolierung und Identifizierung von Pathogenen.
• Anreicherungskulturen
• Reinkultur
• Identifizierung (morphologische oder serologische Methoden).

EIA (Enzymimmunoassay)

• Verfahren zur Bestimmung von Antikörpern oder Antigenen in einer Probe.