Mikrobiologie Quiz über Bakterien und Postulate

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existieren seit ca. 3,8 Milliarden Jahren.
• Vielzeller erschienen vor ca. 600 Millionen Jahren.
• Homo sapiens existiert seit ca. 130.000 Jahren.
• Progenoten - Urvorstufe aller Lebewesen, drei Domänen: Bakterien, Archaea, Eukaryoten (Einteilung aufgrund des RNA-Sequenzvergleichs).
• Mikroorganismen: Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren.
• 1837 skizzierte Darwin erste Stammbäume des Lebens.
• Phylogenese= Stammesgeschichte, zeigt die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Arten.
• Phylogenetische Stammbäume: Knoten = gemeinsamer Vorfahre; Kantenlänge= Verhältnis der Entwicklungszeit.
• Systematische Kategorien in Bakteriologie: Domäne, Abteilung(Stamm), Klasse, Ordnung, Familie, Gattung, Art.

Unterschiede Bakterien und Archaea

• Unterschiede in Zellwand, Membran, Lipiden und Stoffwechsel.
• DNA/RNA-Sequenzen unterscheiden sich.
• Archaea weniger empfindlich gegenüber Antibiotika.
• Archaea sind Eukaryonten ähnlicher als Bakterien.
• Typische Bakterien: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis
• Typische Archaea: extremophile Organismen, Methanproduzenten: Picrophilus torridus, Methanocaldococcus jannaschii

Bedeutung von Mikroorganismen

• Große Anzahl an Mikroorganismen, 70% Gesamtbiomasse.
• Bedeutung für Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie usw.
• Beteiligt an Geochemischen Kreisläufen (z.B. Bodenbakterien)
• Einfluss auf globales Klima (z.B. Cyanobakterien = Photosynthese)
• Symbionten im Darm und bei vielen anderen Lebewesen.

Koch'sche Postulate

• Nachweis des Erregers im erkrankten Organismus.
• Isolierung des Erregers in Reinkultur.
• Nachweis der Krankheit im Versuchstiere durch den Erreger.
• Wiederisolierung des Erregers vom Versuchstiere.

Biotechnologische Bedeutung

• Produktion von Stoffen wie Antibiotika, Enzyme etc.
• Behandlung von Abwasser und Abfall.
• Nahrungsmittelproduktion.

Gentechnologie

• Moderne Verfahren zur Veränderung genetischer Eigenschaften von Organismen.
• Isolierung und Neukombination von Erbmaterial.
• Herstellung rekombinanter Stoffe (z.B. Insulin).
• Forschung zur Untersuchung von Proteinen.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA (Genetik).
• Analyse der Genexpression.
• Biochemische Techniken: Proteine nach Größe trennen (Westernblot).

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Farbe, Größe, Geruch, Oberfläche, Konsistenz, Kolonierand und Profil.

Bakterienformen

• Kokken (kugelförmig): Streptokokken, Diplokokken, Sarcinen, Staphylokokken
• Stäbchen (bacillus-förmig) : Kokkobazillus, Bazillus, Diplobazillus, Palisaden, Streptobazillus
• Andere Formen (spiralförmig, kommaförmig, gekrümmt) : Vibrio, Helikale, Filamentös, Spirochäten

Biofilme

• Schicht aus lebenden und abgestorbenen Mikroorganismen.
• Bildung an Grenzflächen.
• Schutz gegen Umweltfaktoren
• Schutz vor Antibiotika

Quorum Sensing

• Zell-zu-Zell Signalübertragung in Biofilmen.
• Regulierung der Genexpression in Abhängigkeit von der Populationsdichte.
• Aufbau und Ausbreitung durch Quorum Sensing reguliert.
• Kommunikation auch über Artengrenzen hinweg.

Ernährung von Bakterien

• Heterotroph: brauchen organische Substanzen.
• Autotroph: können ihre Nahrung aus CO2 erzeugen.
• Auxotrophie: gewisse Substanzen nicht mehr selbst bilden Prototrophie: C-Quelle und Salze ausreichend

Stoffwechselvielfalt

• Energiequellen: Chemotroph, Phototroph
• Reduktionsäquivalente: Organotroph, Lithotroph
• C-Quelle: Heterotroph, Autotroph

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstriche von Oberflächen.
• Ausdünnen der Bakterien-Suspension.
• Aufschmieren auf Nährmedien (z.B. Drei-Ösnachstriche)
• Methode zur Vermehrung von Mikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen.

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedium: mehr Nährstoffe.
• Minimalmedium: beschränkt Nährstoffe.
• Selektivmedium: nur bestimmte Organismen wachsen.
• Differentialmedium: Wachstum der Organismen lässt sich unterscheiden

Drei Ösnachstriche-Methode

• Probe wird auf Agarplatte aufgetragen, Probe in verschiedene Bereiche aufgeteilt um Reinkulturen zu erhalten

Gußplattenverfahren

• Methode zur Keimzahlbestimmung, Bakterienkultur verdünnen, Agar-Lösung zugeben, abkühlen lassen und Bakterien wachsen lassen, Bakterienanzahl pro cm3 bestimmen

Aufbau von Bakterienzellen

• Chromosom: doppelsträngig, ringförmig, DANN Molekül.
• Ribosomen: Ort der Proteinbiosynthese, frei im Zytoplasma.
• Plasmide: ringförmige DNA-Moleküle.
• Pili: Adhäsion an Oberflächen
• Geißel: Fortbewegung
• Zytoplasmamembran: semipermeabel, Stofftransport.
• Zellwand: Formgebung, Schutz.
• Kapsel: Schutz vor Umweltfaktoren, nicht bei allen Arten

Transport über Membran

• Diffusion; Spontaner Prozess.
• Erleichterte Diffusion (Carrier-vermittelt): z.B. Kalium, Uniport.
• Sekundärer Transport (vermittelt): z.B. Laktose-Protonen Symporter.
• Primärer Transport: z.B. Natrium- Protonen- Antiporter

Positive und negative Gram-Bakterien

• Gram-positive Bakterien haben eine dicke Murein-Schicht in der Zellwand.
• Gram-negative Bakterien haben eine dünne Murein-Schicht und eine zusätzliche äußere Membran.
• Die Gram-Färbung ist ein wichtiges Verfahren zur Unterscheidung bestimmter Bakteriengruppen.

Geißeln und Pili

• Pili: röhrenförmige Gebilde für Adhäsion, DNA-Austausch usw.
• Geißeln: Fortbewegung

Sporen von Bakterien

• Endosporen: hitzeresistente Dauerform, bilden sich unter Stress.
• Bedeutung: Überleben unter widrigen Bedingungen.

Endosymbiontentheorie

• Plastiden und Mitochondrien entstanden aus intrazellulären Symbiosen.
• Genetisches Material in den Organellen ist auf zirkuläres DNA-Molekül.

Genetische Informationen

• Der gesamte genetische Bauplan eines Organismus.
• Gen: für ein Protein kodiert.
• Chromosom: genetischer Bestand eines Organismus
• Genom: Gesamtheit aller Gene einer Zelle

Nukleotide (Bausteine der DNA und RNA)

• Bestehen aus Base, Zucker (Desoxyribose oder Ribose) und Phosphatgruppe.

DNA und RNA

• DNA: doppelsträngige Helix.
• RNA: einzelsträngig, verschiedene Typen.
• DNA-Replikation
• DNA-Polymerase: Enzyme, die DNA kopieren.

DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation: jeder neue DNA-Strang besteht aus einem alten und einem neuen Strang.
• Replikationsrichtung: 5' → 3'.
• Replikationsursprung: Stelle auf dem Chromosom, wo die Replikation startet.
• Bidirektionale Replikation: Replikation von beiden Enden der DNA-Schlaufe.

DNA-Polymerasen

• Enzyme, die DNA synthetisieren.
• Korrekturlesen: 3' → 5' Exonuklease-Aktivität.

Transkription

• Synthese von RNA aus einer DNA-Vorlage.
• RNA-Polymerase: Enzym, das RNA synthetisiert
• RNA-Polymerase bewegt sich an der DNA-Kette nach unten
• Transkriptionsstelle

Schritte der RNA-Synthese

• Initiation: RNA-Polymerase bindet an den Promoter.
• Elongation: RNA-Polymerase synthetisiert RNA.
• Termination: RNA-Polymerase löst sich von der DNA.

Mikrobiologie - Gentechnik

• Verfahren zur Veränderung genetischer Eigenschaften von Organismen.
• Herstellung von Proteinen, transgenen Pflanzen und Tieren
• Gendiagnostik, Somatische Gentherapie, CRISPR/CAS.
• Werkzeuge der Gentechnologie: Spender-DNA, Vektor/Plasmid-DNA, Restriktionsenzyme (Schneiden), Ligasen (Verbinden), DNA-Transfermethoden.
• Vorteile von Mikroorganismen: Kleine Grösse, schnelle Vermehrung, leicht manipulierbares Genom, leicht kultivierbar.
• Klonierungswirte und deren Einsatzbereiche

Restriktionsenzyme (Restriction Enzyme)

• Enzyme, die fremde DNA oder Plasmide schneiden.
• Spezielles Muster an DNA-Sequenzen erkennen und schneiden.
• DNA-Methylierung schützt die Bakterien-DNA vor Selbstextraktion
• Isospezies, gleiche Erkennungsstellen
• Erzeugung von glatten oder klebrigen Enden

Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

• Verfahren zur Vervielfältigung von DNA-Sequenzen.
• Hohe Temperaturen, Primer, dNTPs, Pufferlösung und DNA-Polymerase.
• PCR-Schritte (Denaturierung, Annealing und Elongierung)

Plasmide

• Kleine, ringförmige DNA-Moleküle.
• Replikation unabhängig von der Haupt-DNA.
• Fertilitätsplasmide, Resistenzplasmide, Klonierungs-Plasmide, Expressionsplasmide.

Genetischer Austausch

• Transformation: Aufnahme fremder DNA.
• Konjugation: Übertragung von DNA zwischen Bakterien.
• Transduktion: Übertragung von DNA durch Viren.

Genetik, Austausch Verfahren

• Horizontale Genübertragung

Bioenergetik

• Energieumsatz in Lebewesen.
• Gibbs-Helmholtz-Gleichung: freie Energieänderung berechnen
• Exergone Reaktion: Energie wird frei.
• Endergone Reaktion. Energie wird benötigt.
• Enzyme: Biokatalysatoren.

Enzyme-Klassen

• Oxidoreduktase, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen und Ligasen

Bioenergetischer Energiespeicher

• ATP, Molekül mit hoher Energie
• ATP-Synthese: Protonengradienten werden benutzt um ATP zu synthetisieren

Chemoorganotroph

• Zentrale Abbauwege zur Oxidation organischer Verbindungen.
• Abbau von Kohlenhydraten (Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette).
• Abbau von Fetten (Beta-Oxidation).
• Abbau von Proteinen und Aminosäuren

Glykolyse

• Abbau von Glucose zu Pyruvat.
• Energiegewinnung durch Substratkettenphosphorylierung.
• Bildung von ATP und NADH.

Oxidative Decarboxylierung des Pyruvats

• Oxidation und Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA.
• Verbindung zwischen Glykolyse und Citratzyklus.
• Bildung von NADH und CO2.

Citratzyklus

• Komplexe Stoffwechselreaktion zur vollständigen Oxidation von Acetyl-CoA.
• Bildung von NADH, FADH2 und GTP.

Atmungskette

• Elektronentransportkette.
• Energiegewinnung durch Oxidation.

Gärung

• Anaerobe Atmung
• Wichtigste Gärungen: Alkoholische Gärung, Milchsäuregärung.

Mikrobiologie - Infektion

• Definition: Eindringen von Mikroorganismen, Vermehrung im menschlichen Körper, Krankheit.
• Ursachen: Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen.
• Klassifizierungen: Endemie, Epidemie, Pandemie
• Pathogenität
• Obligat pathogene Keime
• Fakultativ pathogene Keime
• Nosokomiale Infektion
• Koch'sche Postulate - Kriterien um zu identifizieren ob ein Erreger Krankheit verursacht

Pathogenitätsstrategien

• Adhärenz
• Invasion
• Spreading
• Transcytose

Nosokomiale Infektionen

• Krankenhaus erworbene Infektionen.
• Ursachen, Übertragungswege, Pathogenitätsfaktoren.
• Koch'sche Postulate

Immunabwehr

• Unterscheidung zwischen angeborener und erworbener Immunabwehr
• Wichtige Bestandteile der angeborenen Immunabwehr sind: Fresszellen, Zytokine (Signalproteine), Komplementsystem (Proteine, die zusammenwirken), Entzündung
• Wichtige Bestandteile der erworbenen Immunabwehr sind: Antikörper, Lymphozyten (Lymphzellen - B- und T-Zellen), Gedächtniszellen (Lernen des Erregers)
• Antigenspezifische Immunantwort
• Antigen-präsentierende Zellen
• T-Helferzellen, T-Killerzellen, B-Zellen, Plasmazellen
• Antikörper

Mikrobiologie - Keimreduktion und Antibiotika

• Keimreduktion
• Salzen, Räuchern, Pasteurisieren, Einkochen, Gefrieren, UV-Bestrahlung, Milchsäure- Gärung
• Autoklavierverfahren (Hochdruck-Dampf)
• Desinfektion durch physikalische Verfahren
• Antibiotika: Wirkstoffe, Anwendung und unerwünschte Effekte

Isolierung und Identifizierung von Pathogenen

• Mikrobiologische Kulturmethoden: Eosin/Methylenblau Agarplatte
• Bunte Reihen (Färbetechniken)
• Serologische Methoden: Antikörpernachweis, Antigennachweis
• ELISA-Test

EIA (Enzyme Immunoassay) und Western Blot

• Diagnostische Verfahren zum Nachweis und Quantifizierung von Antigenen oder Antikörpern im Blut, Gewebeproben oder anderen Körperflüssigkeiten.

Weitere wichtige Punkte

• Alle Stoffwechselvorgänge werden in den jeweiligen Abschnitten beschrieben.
• Alle relevanten Prozesse werden kurz erläutert.
• Wichtige Begriffe aus den Mikrobiologie und Gentechnik werden verwendet.

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