Syllabus colleges 1e jaars Microbiologie en Immunobiologiepropedeuse biologie 2024-2025 PDF

Syllabus colleges 1e jaars Microbiologie en Immunobiologiepropedeuse biologie 2024-2025 Prof. Dr. Arthur F.J. Ram Dr. Joost van den Brink Moleculaire Microbiologie en Biotechnologie Instituut Biologie Leiden 1 De docenten microbiologie danken P...

Syllabus colleges 1e jaars Microbiologie en Immunobiologiepropedeuse biologie 2024-2025 Prof. Dr. Arthur F.J. Ram Dr. Joost van den Brink Moleculaire Microbiologie en Biotechnologie Instituut Biologie Leiden 1 De docenten microbiologie danken Prof. E.J.J. Lugtenberg (emeritus hoogleraar Microbiologie) voor zijn belangrijke bijdrage aan deze cursusklapper en Dr Jorg Brunner voor recente aanpassingen. 2 Overzicht colleges Microbiologie (MI) 4 Bestuderen bij colleges 5 1 Inleiding microbiologie 6 1.1 Groeibehoeften 9 1.2 Groei 9 1.3 Sterilisatie 10 1.4 Toegepaste microbiologie 11 2 Bacteriële celenveloppe 14 2.1 Lipiden 14 2.2 Moleculen die de membraan verstevigen 15 2.3 Membranen van Archaebacteriën 15 2.4 Membraaneiwitten 16 2.5 De binnenmembraan 16 2.6 De buitenmembraan 18 2.7 Structuur LPS 19 2.8 Periplasma 189 2.9 S-layer of surface layer 19 3 Transport 20 3.1 Inleiding 20 3.2 Transport door de buiten-membraan 20 3.3 Transport door de cytoplasma-membraan 21 3.4 Energie voor transport 23 3.5 Op welke manieren kun je een PMF opbouwen? 24 3.6 Transport van antibiotica 25 4 Celwanden van bacteriën 26 4.1 Functionele anatomie van prokaryote cel 26 4.2 De Gramkleuring 29 4.3 Peptidoglycaan 29 4.4 Gram-postieve bacteriën 31 4.5 Pseudo-peptidoglycaan in Archaebacteriën 31 5 Antibiotica (ABs) en Antibiotica resistentie 32 3 Overzicht colleges Microbiologie en Immunobiologie (2023-2024) Colleges: 1+2 Introductie Microbiologie (Prof. Dr. Arthur Ram) 3+4 Membranen en transport; Celwanden van bacteriën en schimmels (AR) 5+6 Eukaryote Microbiologie (AR) 7+8 Antibiotica en Resistentie mechanismen (AR) 9 + 10 Energie en kringlopen; Nuttige micro-organismen (AR) 11 + 12 Immunobiologie 1 (Prof Dr. Annemarie Meijer) 13 + 14 Immunobiologie 2 (Prof Dr. Annemarie Meijer) Voor het tentamen microbiologie en immunobiologie moet bestudeerd worden: − De inhoud van de colleges. De power point presentaties van de colleges zullen op Brightspace geplaatst worden. − De hoofdstukken uit Campbell zoals aangegeven in het overzicht op de volgende pagina. − De bijgaande cursus klapper. De klapper bevat extra stof omdat niet alle aspecten van de microbiologie in Campbell behandeld wordt. − De microbiologie practicumproeven en de bijbehorende theorie die in LabBuddy staat beschreven. (Dit geldt alleen voor Biologen en niet voor de Bioinformatica studenten) 4 1 Inleiding microbiologie Microbiologie gaat over de biologie van alle organismen die niet met het blote oog gezien kunnen worden. Een microorganisme is een microscopisch klein organisme dat bestaat uit 1 cel, maar microorganismen kunnen ook meercellig zijn (bv schimmels). Microbiologie bestrijkt een enorm gebied. Je kunt daarbij denken aan alle normale disciplines van de biologie, zoals bv. de genetica, de fysiologie, de biochemie, celbiologie, de besmettingsleer, biotechnologie of de ecologie van micro-organismen. Principe # 1: Micro-organismen (MO’n) zijn essentieel voor ons leven: − 50% van de O2 productie gebeurd door fotosynthetische aquatische MO’n. − ze zijn essentieel voor alle voedselketens op aarde. − bodemvruchtbaarheid (N2-fixatie, P oplosbaar maken) − ze zijn essentieel in de cycli van elementen − ze stabiliseren de inhoud van onze darm en helpen bij het verteren van voedsel. Zonder MO’n krijgen we diarree. − onderdrukking van plantenziekten, die worden veroorzaakt door o.a. schimmels en insecten. − koeien en schapen kunnen zonder MO’n hun hoogvezelig voedsel niet verteren (o.a. cellulases) − afbraak olie op autowegen − onze huidflora beschermt ons tegen kolonisatie door pathogenen. Principe # 2: MO’N komen overal voor (uitzonderingen bevestigen ook deze regel), dikwijls in grote aantallen: − Feces: 1012 / gram − Grond: 108 / gram ( dit is slechts 1 á 10%; de rest is nog niet kweekbaar) − Lucht: variabel, bv 40 per 10.000 liter − Drinkwater: minder dan 1 bacterie per 100 ml − Urine en serum: 0 (bij gezonde personen) Figuur 1-1 Tree of life. De boom van het leven zoals bepaald op basis van rRNA sequentie analyses. De drie domeinen zijn weergegeven met een aantal representatieve soorten. Alle bacteriën, archaea en de meeste eukarya zijn micro- organismen. Slechts de takken van de dieren, planten en schimmels bestaan (ook) uit macroorganismen. LUCA=last universal common ancestor 5 Van de drie domeinen van levende organismen Archaea, Bacteria en Eukarya bestaan er twee uit bacteriën Figuur 1-1. Veel mensen hebben een vertekend beeld van MO’n. Ze denken dat MO’n schadelijk zijn en realiseren zich niet dat ze vrijwel overal voorkomen. Mede door deze misvatting is er een weerstand tegen toepassing van MO’n in het milieu. Men spreekt van “introductie” in het milieu als het over toepassing van 1013 bacteriën gaat, terwijl grote vrachtwagens vol mest (1012 bacteriën/gram) door het land worden gereden als onderdeel van ons mestbeleid. De microbiologie heeft een rijke geschiedenis. De eerste waarneming van bacteriën staat op naam van de Delftse lakenkoopman Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723). Met name de experimenten van Pasteur (Figuur 1-2) en het postulaat van Koch hebben de uiteindelijk de basis gelegd voor de moderne microbiologie. Figuur 1-2 Het experimentele systeem van Pasteur. Het weerleggen van de spontane generatie theorie Van de Delftse hoogleraar Microbiologie Beyerink is de uitspraak: Alles is overal, maar het milieu selecteert. Het isoleren van micro-organismen uit geschikt uitgangsmateriaal (ophopen) is op deze uitspraak gebaseerd. Het ophopen bestaat in feite uit het kweken van het uitgangsmateriaal in een zodanig milieu, dat de kweekomstandigheden voor het te isoleren micro-organisme optimaal zijn. Het gezochte micro-organisme zal dan door zijn snelle ontwikkeling de andere organismen verdringen. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van specifieke koolstof-, zwavel- of stikstofbronnen, alsmede van temperatuur en pH. Het geïsoleerde organisme moet vervolgens reingekweekt worden, waarbij in de regel afgestreken wordt op vaste voedingsbodems. Dit gebeurt op een zodanige wijze, dat de kans na bebroeding op losloggende kolonies groot is. Een losliggende kolonie (waarin meer dan 108 bacteriën aanwezig zijn) is ontstaan uit één bacterie. 6 De toepassingen van de huidige microbiologie zijn talrijk: − Productie wijn, bier en sterke drank via alcohol fermentatie − Productie antibiotica − Biotechnologie (w.o. productie van bv. menselijk insuline of groeihormoon) − Voedselproductie: o.a. yoghurt, kaas, soja-saus − Vaccin-productie − Afvalwaterzuivering − Energiebron-productie: methaan (‘natuurlijk gas’), ethanol (‘gasohol’) − Sneeuw en ijs maken − Preventie microbiële ziekten door gebruik van probiotica bij mens (sommige yoghurts) en planten (seed coating) Principe # 3: De meeste MO’n zijn niet gevaarlijk. De ontwikkeling van het vak microbiologie hangt echter nauw samen met het voorkómen van ziekten. Pathogene micro-organismen krijgen dus relatief veel aandacht, maar zijn in feite uitzonderingen. De bekendste MO’n zijn: − virussen − bacteriën − schimmels (hiertoe behoren ook de gisten) Of virussen echt to de microorganisme behoren is een voortdurende discussie. In verband met de beperkte tijd voor dit college zullen we ons voornamelijk beperken tot de microbiologie van bacteriën en schimmels. Micro-organismen worden benoemd volgens het traditionele tweenamen (genus en soort) systeem van Linnaeus, waarbij een aantal genera tezamen een familie vormen. Voorbeeld: De bekende darm bacterie Escherichia coli is een staafje van ongeveer 1 bij 2 μm en behoort tot de familie van de Enterobacteriaceae. Criteria die veel gebruikt worden in de klassieke bacteriële taxonomie zijn: 1) Structuur en morfologie: vorm, grootte, rangschikking, flagellen, endosporen, Gram- kleuring 2) Biochemische en biofysische eigenschappen: gebruik van suikers als C- en energiebron, optimum temperatuur en temperatuur-range, pH optimum voor groei, aerobe en/of anaerobe groei, gevormde producten bij ademhaling en gisting, gevoeligheid voor antibiotica. De meest voorkomende vormen van bacteriën zijn coc, staaf, komma (vibrio) en spiril (zie Figuur 1-3). Een van de belangrijkste criteria bij de bacteriële taxonomie is de Gram kleuring, die gebruikt wordt om de bacteriën in twee groepen in te delen op basis van verschillen in hun celwand. Gram positieve bacteriën hebben een eenvoudige celwand met een relatief grote hoeveelheid peptidoglycaan. Gram negatieve bacteriën hebben een complexere celwand met weinig peptidoglycaan. Na uitvoering van de Gram kleuring zijn Gram + bacteriën paars gekleurd en zijn Gram- bacteriën lichtroze. Het vermogen van sommige van bacteriën om ongunstige omstandigheden te overleven is indrukwekkend. Deze bacteriën vormen resistente cellen, zogenaamde endosporen. De oorspronkelijke cel repliceert zijn chromosoom, en 1 kopie wordt omgeven door een extra duurzame celwand. De cel, waarin deze endospore zit desintegreert, maar de endospore zelf overleeft allerlei soort onaangename omstandigheden, zoals voedselgebrek, droogte en hitte. 7 Bekende voorbeelden van sporenvormde bacteriën zijn vertegenwoordigers van het (aërobe) geslacht Bacillus en het (anaërobe) geslacht Clostridium. Beide geslachten bestaan uit staafvormige bacteriën (grootte 2 - 5 μm), die behoren tot de familie van de Bacillaceae. Een kleuring die veel gebruikt wordt is de sporekleuring, waarmee snel bepaald kan worden, of bacteriën in staat zijn om endosporen te vormen. Figuur 1-3 De verschillende vormen van bacteriën 1.1 Groeibehoeften Tabel 1-1. De globale chemische samenstelling van een bacteriecel Element % Bron Functie in de cel C 50 org.stoffen, CO2 hoofdbestanddeel cel O 20 H20 ,org.stof, hoofdbestanddeel cel CO2, O2 N 15 NO3-, NH3, N2, Aminozuren, pyrimidines, purines, coenzymen Org. stof H 10 H2O, H2, org. stoffen Bestanddeel celmateriaal, water P 3 org. en anorg.stof DNA, RNA, fosfolipiden, coenzymen, intermediairen 2- S 1 SO4 , H2S cysteine, methionine K