Einführung in die Mikrobiologie VO1-Einführung PDF

**Einführung in die Mikrobiologie** **[Vorkommen:]** - In fast allen Lebensräumen der Erde - Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie, Ökobiologie, Evolution, Agrarbiologie - Bakterien und Pilze sind allgegenwärtig - Gewässer (auch Trinkwasser); (Temp.: -4° nis 113°C) - Bo...

**Einführung in die Mikrobiologie** **[Vorkommen:]** - In fast allen Lebensräumen der Erde - Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie, Ökobiologie, Evolution, Agrarbiologie - Bakterien und Pilze sind allgegenwärtig - Gewässer (auch Trinkwasser); (Temp.: -4° nis 113°C) - Boden - Arktische Gebiete - Trockenes Brot - pH-Bereiche: 1 (0.1 N Säure) bis 11 (0.1 N NaOH) - Druckbereiche: von 0.1 -- 400 bar (1 atm+/- 1 bar/ 1 kp/ 1 cm^2^) **[Entstehen der Mikroorganismen:]** - Mikroorganismen traten als erste Organismen auf der Erde vor etwa 3.8 Mrd. Jahren auf. - Vielzeller entwickelten sich erst vor etwa 600 Mio. Jahren im Neoproterozoikum. - Die ersten „modernen" Menschen (Homo sapiens) erschienen vor etwa 130.000 Jahren. - Mikroorganismen= Mikroskopisch kleine Organismen wie: Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren - Phylogenetischer Stammbaum: Einteilung der 3 Domänen aufgrund von rRNA- Gen Sequenzvergleichen - Phylogenese: Stammesgeschichte -\> stellt die evolutionären Beziehungen zwischen den verschiedenen Arten her - Keine Stammgeschichtliche Einheit, sondern bestehen aus 3 Domänen, in die alle Lebewesen eingeteilt werden - Charls Darwin (1837) skizzierte den 1. Stammbaum des Lebens +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ | Bakterien | Prokaryoten | Nucleoid | Einzeller | *Bacillus | | | | | | subtilis, | | | | | | Ischerichia | | | | | | coli* | +=============+=============+=============+=============+=============+ | Archaea | Prokaryoten | Nucleoid | Einzeller | *Halorubrum | | | | | | lutelim* | +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ | Protozoen | Eukaryoten | Zellkern | einzellig & | Pantoffelti | | | | | mehrzellig | erchen, | | | | | | Amöben, | | | | | | Euglena, | | | | | | Sonnentierc | | | | | | hen | +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ | Algen | Eukaryoten | Zellkern | einzellig & | Grünalgen, | | | | | mehrzellig | Seetang | +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ | Pilze | Eukaryoten | Zellkern | einzellig | Bäckerhefe, | | | | | und | Mycelpilze | | | | | mehrzellig | | +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ | Viren | | DANN oder | Stoffwechse | HIV, Ebola | | | | RNA | l, | Virus, | | | | | Vermehrung, | *Herpes | | | | | Bewegung: | simplex* | | | | | Nein! | | | | | | | | | | | | Lebewesen? | | +-------------+-------------+-------------+-------------+-------------+ **[Die systematischen Kategorien der Bakteriologie:]** +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | **Kategorien:** | **Taxon:** | | +=======================+=======================+=======================+ | Domäne | Bacteria | Bacteria | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Abteilung = Stamm | Actinobacteria | Proteobacteria | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Klasse | Actinobacteria | Epsiloproteobacteria | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Ordnung | Actinoycetales | Campylobacterales | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Familie | Mycobacteriaceae | Helicobacteraceae | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Gattung | Mycobacterium | Helicobacter | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Art | Mycobacterium | Helicobacter pylori | | | tuberculosis | | | | | H. pylori | | | M. tuberculosis | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ **[Die Maßeinheiten:]** **Prefix** **Name** **Multiplier** **Power of 10** ------------ ---------- ------------------- ----------------- T Tera 1 000 000 000 000 10^12^ G Giga 1 000 000 000 10^9^ M Mega 1 000 000 10^6^ K Kilo 1 000 10^3^ m milli 0.001 10^-3^ --- ------- ------------------- --------- µ micro 0.000 001 10^-6^ n nano 0.000 000 001 10^-9^ p pico 0.000 000 000 001 10^-12^ **[Unterschied Prokaryoten & Eukaryoten: ]** - Eukaryoten besitzen einen Zellkern - Prokaryoten besitzen ein Nukleotid Nukleoid ist ein Zellkernäquivalent, besitzt keine Doppelmembran Bacteria & Archaea sind Prokaryoten, besitzen Nukleoiden [Vergleich von Bakterien zu Eukaryoten:] +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | | **Bakterien** | **Hefe** | **Menschliche | | | | | Zellen** | +=================+=================+=================+=================+ | Durchmesser | 1 | 10 | 100 | | (µm): | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Volumen | 1 | 1 000 | 10 000 | | (µm^3^): | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Verhältnis | 1 | 0.1 | Je nachdem | | | | | | | Oberfläche/ | | | | | Volumen: | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Generationszeit | 0.3- 1 | 2 | \>20 | | (h): | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Systematik | Prokaryoten | Eukaryoten | Eukaryoten | | (Bauplan): | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Stoffwechsel: | Große Vielfalt | einheitlich | einheitlich | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ **[Unterschied Bakterien und Archaea (Prokaryoten):]** - Unterschied in Zellwand & Membran, Lipiden, Stoffwechsel, DANN/ RNA Sequenzen, etc. - Alle krankheitserregenden Prokaryoten sind Bakterien - Bakterien sind sensitiv gegenüber Antibiotika, Archaea sind wiederum nicht sensitiv gegenüber Antibiotika - Archaea sind Eukaryoten ähnlicher als es Bakterien sind. (z.B. viele Protein- und Nukleinsäure- synthetisierende Enzyme) - Typische Bakterien: *Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis* - Typische Archaea sind extreme Thermophile und Methanproduzenten: *Picrophilus torridus, Methanocaldococcus jannaschii* **[Helicobacter pylori:]**  Forschungsgruppe Mikrobiologie-\> Schnittstelle zur Zellbiologie-\> Infektionsbiologie Bsp.) Infektionskeim Helicobacter Pylori: Magenkeim der 30-40% aller Österreicher besiedelt, kannchronische Magenschleimhautentzündung auslösen die oft zu Magenkrebs führt! **Entwicklung der Mikrobiologie** - 1676: Anthony van Leeuwenhoek baute das erse Mikroskop und entdeckte „kleine, sich fortbeweende Tiere" - 1828: **Otto Friedrich Müller** etabilierte den Begriff „Bakterien" - 1847: **Ignaz Philipp Semmelweis** postuliert, dass schmutzige Hände als Überträger z.B. des Kinderbettfiebers eine entscheidende Rolle spielten (Hygiene in Krankenhäusern) - 1822- 95: **Louis Pasteur** entwickelte erste Impfstoffe (gegen Geflügelcholera, Milzbrand, Tollwut). Er entdeckte auch, dass durch das kurzzeitige Erhitzen von Lebensmitteln auf 60°- 70°C ein Großteil der darin enthaltenen Keime abgetötet wird (*Pasteurisierung*) - 1843- 1910: **Robert Koch** kultivierte den Milybranderreger, entdeckte u.a. den Erreger *Mycobacterium tuberculosis* Vor der Entdeckung der Mikroorganismen ging man davona us, dass Krankheiten Gottesstrafen waren, hervorgerufen durch „Kontagion" (das Unbekannte). Keim als Verursacher einer Krankheit, wenn: - 1\. Erreger muss im kranken Tier nachweisbar sein - 2\. Erreger muss in Reinkultur gebracht werden - 3\. Der „reine" Erreger muss im gesunden Tier die gleiche Krankheit auslösen - 4\. Der Erreger muss wieder isolierbar sein Die Postulate treffen nicht auf alle Erreger zu (z.B. Vieren und Protozoen) - Die Anzahl an Mikroorganismen übertreffenalle anderen Spezies - Stellen mit 70% den größten Anteil an **Biomasse** dar. Als Biomasse wird die gesamte organische Substanz bezeichnet - Wichtige Bedeutung für die Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie 1. **Ökologische Bedeutung** - Für **geochemische Stoffkreisläufe:** z.B. Bodenbakterien, die als Destruenten wirken bzw. Nährstoffe für die Pflanzen verfügbar machen - Mikroorganismen beeinflussen das **globale Klima**: durch Verstoffwechslungen kritischer chemischer Elemente wie Kpohlenstoff oder Stickstoff, Erzeugung von elemnetaren Sauerstoff (0~2~) - Cyanobakterien (früher als Baualgen bezeichnet, sind jedoch Prokaryoten) betreiben **Photosynthese**, sind unabhägig von organischer Nahrung. Gemeinsam mit den Grünalgen (Chlorophyta) und anderen Algengruppen bilden sie die Nahrungsgrundlage vieler Ökosysteme - Bakterien können als **Symbionten** im Darm oder in anderen Organen vieler Lebewesen vorkommen und wirken bei der Verdauung und weiteren physiologischen Vorgängen mit. 2. **Medizinische Bedeutung:** - Ein Mensch besteht aus etwa **10 Billionen (10^13^) Zellen** und ist Träger von etwa **10- 100 mal so vielen Bakterien** (= Gesamtmasse von 0.5-1 kg) - Insgesamt ca. **10^10^ Bakterien** in unserem Mund - Auf der menschlichen Haut befinden sich (bei durchschnittlicher Hygiene) ca **10^12^**. Ernähren sich von Hautschuppen, Mineralstoffen, Lipiden, etc. - 99% aller mit uns lebenden Mikroorganismen (mindestens 400 vrschiedenen Arten), darunter worwiegend Bakterien, leben in unserem Verdauungstrakt und bilden die sogenannte **Darmflora**. - Bakterien in der **Darmflora:** - Bakterien in der **Hautflora:** - Bakterien als **Krankheitserreger:** Karies, eitrige Wundentzündungen, Sepsis („Blutvergiftung"), Entzündungen von Organen (z.B. Blasen- oder Lungenentzündung) - **Hygiene als wichtiges Fachgebiet der Medizin:** 3. **Biotechnologische Bedeutung:** - Einsatz von biologischer Systeme im Rahmen technischer Prozesse und industrieller Produktionen - Produktionen wichtiger Stoffe wie Antibiotika, Enzyme, Gentherapien, Antikörper - Nahrungsmittelproduktion: z.B. Brot, Bier, Wein, Milchprodukte - Beseitigung problematischer Abfälle, z.B. Abwasserreinigung, Beseitigung giftiger organischer Substanzen - Industrie: z.B. Enzymzusätze in Waschmitteln 4. **Gentechnologische Bedeutung:** - Moderne molekularbiologische Methode zur Änderung der genetischen Eigenschaften von Organismen - Isolierung, Chraktarisierung und Neukombination von Erbmaterial - Wichtig für die Biotechnologie: z.B. Herstellung rekombinanter Stoffe - Wichtig in der Forschung z.B. Untersuchung einzelner Proteine - Unterliegt strengen, gesetzlichen Regelungen **[Hilfsmittel der Mikrobiologie]** - **Mikroskop**: Erste Abbildung von Bakterien 1683: Leeuwenhoek entdekt sie bei der Untersuchng seines Zahnbelags. - **Stereomikroskop**: getrennter Strahlengang für beide Augen; Vergrö0ßerung bis ca. 40-fach - **Lichtmikroskopie**: Das O bjektiv wird durch zwei Linsensysteme, dem Objektiv und dem Okular optisch abgebildet: das Objektiv bildet das Objekt in ein reelles, vergrößerungs Zwischenbold ab, das durch das Okular analog zur Lupe vergrößert (z.B. 10-fach) betrachtet wird. Die Objektive sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird. - **Elektronenmikroskopie**: Rasterelektonenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie - **Molekularbiologische Methoden:** Sequenzierung von RNA und DANN Analyse der Genexpression - **Biochemische Techniken** **[Makroskopische Untersuchung von Bakterienkolonien]** **Nur unter definierten Kulturbedingungen aussagekräftig!** - **Farbe:** Pigmentbildung? Häufig abhängig von der Temperatur, Sauerstoff, Licht, Nährmedium - **Größe:** Durchmesser - **Geruch:** z.B. erdig, fischig, muffig **(**bite nie an unbekannten, möglicherweise pathogenen Bakterienkulture riechen!) - **Konsistenz:** z.B. schierig, bröckelig - **Oberfläche:** z.B. Tranzparenz, glatt, granuliert, wellig - **Kolonienrand:** z.B. glatt, gekerbt, wellenförmig, gelappt, wimernförmig, gefranzt - **Profil:** z.B. flach, konvex, erhaben, knopfförmig, halbkugelig **Die Vielfalt von Bakterien:** (Colibakterien EHEC auf Darmzellen; Neisserien; Knöllchenbakterien fixieren Stickstoff aus der Luft; *Helicobacter pylori* auf Magenzellen; Streptokokken; Milchsäurebakterien) **Drei morphologische Grundformen:** Kokken (kugelförmig), Bazillen (stäbchenförmig) , schraubenförmig **Vorkommen von Bakterien:** - Bakerien können freilebend vorkommen (planktonisch) oder in Biofilmen - Mehr als 99,9 Prozent aller Bakterien gehören zu heterogenen Biofilme **Biofilm:** - Schicht von angesiedelten lebenden und abgestorbenen Kleinlebewesen: Bakterien, Algen, Protozoen, etc. - Biofil,e entstehen, wenn sich Mikroorganismen an Grentflächen ansiedeln. Es bildet dich aif der Fenzfläche eine dünne, meist geschlossene Schleimschicht (Film), in die Mikroorganismen eingebettet sind - Mikroorganismen hüllen sich in eine schleimige, extrazelluläre Grundsubstanz aus Polymeren (EPS) ein, die vielen Nährstoffe enthalten - Schutz vor mechanischen Einflüssen, Hunger, chemische Einflüssen, Strahlung, etc. **Quorm Sensing:** - Aufbau und Ausbreitung solcher struckturierten, vielfältigen Lebensgemeinschaften werden durch **Quorum Sensing** reguliert - **Definition:** Signalübertragung von Zelle zu äzelle in einem Biofilm, welche die Genexpression in Abhängigkeit von der Populationsdichte steuert. - Die Mikroorganismen scheiden kleine, diffusionsfähige **Signalmoleküle** aus (die Hormonen analog sind) und können anhand der lokalen Konzentration dieser Substanzen feststellen, wie viele andere Mikroorganismen sich in ihrer Nähe befinden. - **Genetisches Material** kann über horizontale Gentransfer mit Nachbarzellen ausgetauscht werden. - **Verändern die abgegebenen Signale ja nach den Umweltbedingungen.** Der „chemische Wortschatz" ist je nach der Spezies, die in produziert, unterschiedlich, Bakterien kommunizieren aber auch über Artgrenzen hinweg. 1. Bakterien vermehren sich exponentiell -\> Vermehrung: **2^n^** (n = Zahl der Generationen) - - - - 2. **Ernährungsgewohnheiten von Bakterien:** **Carbon and Energy Sources in Prokarytoes** +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | **Energy | **Carbon | | | | sources** | sources** | | | +=================+=================+=================+=================+ | **Light** | **Chemicals** | **Carbon | **Organic | | | | dioxide** | compounds** | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Phototrophs | Chemotrophs | Autotrophs | Heterotrophs | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | | **Organic** | **Inorganic** | | | | | | | | | **chemicals** | **chemicals** | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | | Chemo- | Chemo- | | | | | | | | | organotrophs | lithotrophs | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ - **Heterotroph:** benötigten organisches Material als Nahrung und für Energiegewinnung - **Autotroph:** erzeugen ihre Nahrung aus CO~2~ - **Photoautotroph:** benutzen Licht z.B. Cyanobakterien, Purpurbakterien - **Chemoautotroph:** benutzen chemische Energie z.B. Eisenbakterium - **Auxotrophie:** (Mutierte) Zellen, die die Fähigkeit zur Herstellung einer oder mehrerer Substanzen verloren haben. Diese muss/müssen für das Wachstum in das Minimalmedium zugesetzt werden. - **Prototrophie:** Bakterienzellen benötigen nur C- Quelle und Salze zum Wachstum, können Aminosäuren, Vitamine, etc selbst synthetisieren; wachsen in Minimalmedium **Was brauchen Bakterien zum Wachsen?** **Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen:** 1. **Kohlenstoffquelle:** Zucker, Alkohole, Fettsäuren 2. **Stickstoffquelle:** Pepton (Proteine, freie Aminosäuren), anorg. Salze (NO~3~^-^, NO~2~^-^, NH~4~^+^), N~2~ (Luftstickstoff) 3. **Anorganische Salze:** meist in Leitungswasser oder Zusätzen enthalten PO~4~^3-^, Mg^2+^, Fe^2+^, Ca^2+^, S^-^, K^+^ 4. **Spurenelemente:** Mn, Co, Zn, Cu, Ni, Na, Se, Si, Wo 5. Evt. **Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen** 6. Optimaler **pH-Wert** 7. Optimale **Temperatur** **Wachstum ohne Phosphor?:** **6 Bausteine nötig:** Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel **Nein:** In einer Studie ETH Zürich kam man zu dem Schluss, dass GFAJ-1 jediglich große Mengen Arsen tolerieren könne. 3. **Sauerstoffbedarf von Bakterien:** 1: Obligat aerobe 2: Obligat anaerobe 3: Fakultativ anaerobe 4: Mikroaerophile 5: Aerotolerante **Mikroorganismen weisen eine enorme Stoffwechselvielfalt auf** **Energiequelle:** - Chemische Reaktionen =\> chemotroph - Lichtreaktion =\> phototroph **Herkunft der Reduktionsäqulvalten:** - Organ. Verbindungen =\> organotrophen - Anorgan. Verbindungen =\> lithotroph **\ ** **C- Quelle:** - Organ. Verbindungen (Zucker) =\> heterotroph - Anorg. Verbindungen (CO~2~) =\> autotroph **Sauerstoff:** - Oxisch =\> aerob - Anoxisch =\> anaerob Temperaturbereich: - Mittel(20- 45°C) =\> mesophil - Hoch (45- 70°C) =\> thermophil - Sehr hoch (70- 110°C) =\> hypothermophil - Niedrig (0- 20°C) =\> psychrophil (kryophil) **pH-Bereich:** - mittel- niedrig- hoch =\> neutrophil- acidophil- alkalophil 4. **Anlagen von Bakterienkulturen** - Abstrich - Ausspalten von Bakteriensuspensionen - Drei- Ösenausstich - Gußplattenverfahren **Abstrich:** mit einem sterilen Wattetupfer werden Zellen von der Haut, Schleimhaut oder Wunden: - Wattestäbchen anfeuchten - Abstrich (z.B. Mundhöhle, Nase, etc.) - Wattestäbchen auf Nährmedium ausrollen - Mit Impföse ausdünnen **Einige Medien für Mikroorganismen:** **Vollmedium:** enthält mehr Nährstoffe als erforderlich, fördert hohe Populationsdichte, Zellausbeute, schnelles Wachstum **Minimalmedium:** Mindestansprüche an Nährstoffe: z.B. nur eine Kohlenstoffquelle, mineralische Nährstoffe **Selektivmedium:** Wachstum von bestimmten Mikroorganismen, die besondere Eigenschaften aufweisen. Z.B. Antibiotika Medien **Differentialmedium:** Zur Interscheidung von Mikroorganismen, die sich surch den Besitz con bestimmten Eigenschaften auszeichnen. Z.B. Hämolyse **Die Medien können als Flüssig- oder Festmedien hergestellt werden.** **Bakterien (Mangel)Mutanten:** - **Bio:** benötigt Biotin - **Arg:** benötigt Argin - **Met:** benötigt Methionin - **Lac:** kann Laktose nicht verwerten - **Str^r^:** resistent gegen Streptomycin - **Str^s^:** sensitiv gegen Streptomycin **Keimzahlbestimmung: Gußplattenverfahren** - Von der Verdünnung wird 1 ml mit flüssigem Nähragar bei einer Temperatur von 45+/- 1°C gegossen - Aushärten bei Raumtemperatur - Inkubation der Platten bei 37°C - Zählen der Kolonien (Bakterien pro ml) **Anlegen von Reinkulturen:** - In der Mikrobiologie soll grundsätzlich mit Reinkulturen oder mit definierten Mischkulturen gearbeitet werden. - Eine Reinkultur wird definiert als eine Kultur von Organismen, die alle genetisch identisch sind, d.h. alle Zellen in dieser Kultur müssen ursprünglich von einer Zelle abstammen = **Klon**