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Mikrobiologie (Subject) / Erweiterung (Lesson)

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• Chemolithotrophe Proteobakterien (bilden die Mehrheit aller gram-negativen Bakterien)Einge chemolithotrophe Verteter -- Viele auch chemoorganotroph:Thio-                   Schwefel-Nitroso-               Ammonium-Nitro-                   Nitrit-Ferro-                  Eisen-Hydrogeno-         Wasserstoff-Oxidation
• Chemolithotrophie Gewinnung von Elektronen/Reduktionsäquivalenten für die Atmungskette durch Oxidation anorganischer Verbindungen, insb. reduzierte Schwefel, Stickstoff, Eisen- Verbindungen oder Wasserstoff, Zell-Kohlenstoff i.R. aus CO2
• Primärproduzenten Erzeugung von organischem Material aus CO2 Schwefeloxidierer, Stickstoffoxidierer (Nitrifizierer), Wasserstoffoxidierer(Knallgas-Bakterien) und Eisen/Manganoxidierer
• Vorkommen Chemolithotrophe Bakterien gibt es überall, aber insbesondere auch dort, wo man kein Leben erwartet. "Black Smoker" der Tiefsee - Sulfate des Meerwassers werden im Bereich des Erdmagmas zu Sulfiden umgewandelt. Der "Qualm" sogenannter "black smoker" besteht aus heißen Schwermetallsulfiden. Chemolithotrophe S-Oxidierer sind die Energiequelle für Riftia pachyptila (Bartwürmer)
• Energiegewinnung durch Oxidation anorganischer Verbindungen mit Sauerstoff Berechnung: ΔG0= -n x 96.5 x Δ E0 (kJ/mol) E0` : ½ H2 /H+ = −0,418 VS0 / HS- = -0,278 VSO42- / S0 = -0,200 V
• Schwefel H2S → S0 → H2SO4 Schwefelwasserstoff - Schwefel - Schwefelsäure Beggiatoa - Fädige Bakterien in einem einem kleinen Bach, der von Schwefelquellengespeist wird (z,B. Berner Oberland, SergeiWinogradsky) Ergebnis: Energiegewinn durch Oxidation von H2SCO2-Fixierung (Calvin Zyklus) ohne Photosynthese Schwefeloxidation führt zur Bildung von Schwefelsäure und Ansäuerung des Mediums
• Photoautotrophe schwefeloxidierende Bakterien Diese Bakterien besitzen Bacteriochlorophyll und nutzen Schwefelwasserstoff (H2S) oder andere reduzierte Schwefelverbindungen als Elektronenquelle (Reduktans) für eine anoxygene Photosynthese. Zu dieser Gruppe gehören die obligat anaeroben "Grünen Schwefelbakterien" (zum Beispiel die Gattung Chlorobium) und die ebenfalls obligat anaeroben "Schwefelpurpurbakterien" (zum Beispiel die Gattung Chromatium)
• Nitrification - Stickstoff Ammoniak bzw. Nitrit-Oxidation Ammonia and nitrite most common used electron donors for lithotrophsOxidized by chemolithotrophic nitrifying bacteria found in soil and water Two groups1. Nitrosomonas: oxidize NH4 (Ammonium Ion) + to NO2- = Ammoniak-Oxidierer2. Nitrobacter: oxidize NO2 - to NO3- = Nitrit-Oxidierer Electrons enter electron transport chain, proton translocation and ATPsynthesis via ATP synthase (electron transport phosphorylation) Need O2 as electron acceptor (strict aerobic organisms)All are chemolithoautotrophs– CO2 is fixed by the Calvin cycle
• Atmungskette Schwefelbakterien H2S → S0 über Sulfide oxidase e- über Ubichinon zu Ubichinon: Cytochrom-oxidoreductase (Komplex 3) S0 → SO42- über Sulfur/sulfite oxidase Cytochrom zu Cytochrom-oxitase (Komplex 4)
• Nitratatmung anaerober Energiestoffwechsel von fakultativ anaeroben Bakterien (Nitratatmer), in dem Nitrat (NO3–)anstelle von Sauerstoff als Wasserstoffakzeptor dient (anaerobe Atmung). Als Substrat werden meist organische Verbindungen, oft auch molekularer Wasserstoff, seltener andere anorganische Verbindungen oxidiert. Der Energie-(ATP-)Gewinn erfolgt durch eine oxidative Phosphorylierung an einer Elektronentransportkette, die zum Teil andere Bestandteile, z.B. andere Cytochrome oder membrangebundene Enzyme, als die aerobe Atmungskette (aerobe Atmung) enthält. Der wichtigste Typ der Nitratatmung ist die Denitrifikation, in der Nitrat bis zum molekularen Stickstoff (N2) reduziert wird. Eine Reihe von Bakterien, z.B. viele Enterobacteriaceae, können Nitrat nur bis zum Nitrit (NO2–) reduzieren (Nitrat-Nitrit-Atmung); Nitrit wird ausgeschieden oder, in mehreren Stufen, weiter bis zum Ammonium (Nitratammonifikation) reduziert (z.B. bei Arten von Bacillus). Diese Reduktionen sind aber nicht mehr mit einer ATP-Bildung verbunden. Mineralisation, Stickstoffkreislauf.
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• Ammoniumoxidation anaerob Ammonium (NH4+) wird mit Nitrit (NO2−) zu molekularem Stickstoff (N2) synproportioniert: NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O Unter Standardbedingungen wird dabei je Mol oxidiertes Ammonium 357,8 kJ Energie frei (ΔG0' = −357,8 kJ).
• Knallgasbakterien Wasserstoff oxidierende Bakterien molekularer Wasserstoff (H2) als Elektronen-Donor und Sauerstoff (O2) als Elektronen-Akzeptor Energie liefernde Reaktion ist also eine in mehreren Schritten ablaufende Knallgasreaktion. Dazu besitzen alle W.o.B. ein oder mehrere Hydrogenase-Enzyme, die H2 binden und entweder zur Produktion von ATP (Adenosinphosphate) verwenden oder als Reduktionsäquivalente für das autotrophe Wachstum nutzen. Zum Wachstum ist zusätzlich eine Kohlenstoffquelle erforderlich, z.B. CO2. Es handelt sich dabei um meist fakultativ chemolithotrophe Bakterien der Gatt. Ralstonia. β-Proteobacteria Ralstonia eutropha
• Die Entstehung von einfachen biologischen Molekülen Stanley Miller & Harold Urey (1953) haben die wahrscheinlichen Verhältnisse inder Ur-Atmosphäre nachgestellt (Wasserstoff, Ammoniak, Methan und Wasser)und durch elektrische Entladung Aminosäuren, Purine und Pyrimidine erhalten. Chemische Evolution bedeutet Organisation von Biomolekülen und selbst-replizierenden Einheiten (vermutl. ausgehend von RNA, das sowohl katalytischeals auch kodierende Eigenschaften hat)
• Sanger-Sequenzierung bzw. Didesoxymethode Die Sanger-Sequenzierung bzw. Didesoxymethode nach Sanger ist eine Methode der DNA-Sequenzierung. Sie wird hauptsächlich in der Genetik und Biochemie verwendet und ermöglicht die Bestimmung der Basenabfolge in einem bestimmten DNA-Molekül.
• dNTP Desoxyribonukleosidtriphosphate
• Essigsäurebakterien oxidieren nicht nur Alkohol, sondern ein breites Spektrum von Substanzen(mit OH-Gruppen),z.B. auch Glucose zu Gluconsäure undSorbit zu Sorbose (Vitamin-C Produktion)
• Vitamin-C Mangel führt zu Skorbut (= Geißel der Sehfahrer) Herkunft des Namens unklar, vielleicht von holländisch Scheurerbek (wunder Mund) Empfohlene Tagesdosis Vitamin C: 100 mgFür Seeleute: Sauerkraut, Zitronen- und Limettensaft ("Limey") Chemische Synthese von Vitamin C (Ascorbinsäure) durch Tadeusz Reichstein 1933
• Vitamin-C Mangel führt zu Skorbut (= Geißel der Sehfahrer) Herkunft des Namens unklar, vielleicht von holländisch Scheurerbek (wunder Mund) Empfohlene Tagesdosis Vitamin C: 100 mgFür Seeleute: Sauerkraut, Zitronen- und Limettensaft ("Limey") Chemische Synthese von Vitamin C (Ascorbinsäure) durch Tadeusz Reichstein 1933
• Sorbose Da die chemische Synthese viel zu aufwendig war, überlegte er sich eine andere Synthesestrategie ausgehend von Sorbit: Die Sorbit-Dehydrogenase von Gluconobacter sub-oxydans oxydiert immer dasmittleren von 3 OH-Gruppen in der erythro-Konformation Die so entstandene Sorbose könnte dann chemisch relativ einfach inAscorbinsäure umgewandelt werden.
• Heterotrophe Proteobacteria (α-subdivision) Familien - Arten und ein Bsp. Acetobacteraceae (Acetobacter, Gluconobacter)Rhizobiaceae (Agrobacterium, Rhizobium)Rickettsiaceae (Rickettsia) Rhizobiaceae (Rhizobium, Agrobacterium) Rhizobium ist der wichtigste Pflanzensymbiont und Stickstoff-Fixierer Agrobacterium induziert Tumore in Pflanzen Rhizobien ("Knöllchenbakterien")... gehen eine Symbiose mit Leguminosen (z.B. Soja, Bohnen,Erbsen) ein und fixieren für diese Pflanzen Luftstickstoff Arten:RhizobiumSinorhizobiumBradyrhizobium
• Stufen der Interaktion Rhizobien ("Knöllchenbakterien") a) Erkennung und Anheftung (Lectine)b) Flavonoide (aus Wurzel) fördern Induktion der Nod-Genec) Nod-Faktoren (Chitinderivate) lösen Wurzelhaarkrümmung ausd) Invasion der Wurzelhaare an gekrümmten Stellene) Ausbildung eines Infektions-schlauches durch die Pflanzef) Einwanderung in die Wurzelzellen und Ausbildung von Bacteroideng) Wurzelknöllchen
• STickstofffixierung durch symbiontische Bakterien Bacteroide sind in den Pflanzenzellen von einer Membran umgebenund rötlich gefärbt wegen Leghämoglobin, das für einen geringen Sauerstoff-partialdruck sorgt.Nitrogenase ist sauerstoff-empfindlich.
• Symbiose zwischen Pflanze und Bakterien - Funktion 1. Pflanze versorgt Bakterien mit Nährstoffen2. Leghämoglobin ist ein Gemeinschafts-produkt von Pflanze und Bakterium3. Bakterien produzieren NH4+ aus N2 und versorgen Pflanze mit Stickstoff
• Agrobacterium tumefaciens Agrobacterien tragen ein Ti-Plasmid (= tumor inducing) Ein Teil des Ti-Plasmids (T-DNA) wird übertragen und imPflanzengenom integriert, wo es den Hormon-haushalt stört und Wucherung auslöst. Die Gene der T-DNA sind verantwortlich für die Tumorinduktionund die Biosynthese der Opine (= Pyruvat+Arginin-Derivat, dasnur von Agrobacterium als C- und N-Quelle verwendet werden kann). Die Vir-Gene sorgen für den Transfer Dazu gehört z.B. die Einzelstrangerzeugung, der Einsatz vonBindeproteinen für einzelsträngige DNA und natürlich auch der Transfer von ssDNA über eine Konjugationsbrücke Die Integration ins Genom der Pflanze erfolgt über "inverted repeats", ähnlich wie bei einem Transposon Dieser Vorgang ist ein natürlicher Gentransfermechanismus zwischeneinem Bakterium und einer Pflanze
• Sojabohnen mit einem Gen für Herbizidresistenz (gegen "Roundup") Roundup ist ein relativ harmloses, biologisch gut abbaubares Herbizid mit dem Wirkstoff Glyphosat (Strukturanalog von PEP, das ein Enzym im AromatenStoffwechsel hemmt). Es wird nur über grüne Pflanzenteile aufgenommen und kann gentechnisch unwirksam gemacht werden, indem das Zielgen ersetzt oder unter einen stärkeren Promotor gestellt wird.
• Rickettsiaceae sind obligat intracelluläre Parasiten mit eingeschränktemStoffwechsel (können nur Glutamat und Glutamin verwerten) Sie gelangen durch Phagozytose z.B. in die Endothelzellen derBlutgefäße, wo sie sich vermehren und die Wirtszellen zerstören. Rickettsien sind Krankheitserreger (z.B. Fleckfieber und ähnliche Erkrankungen) mit Arthropoden als Vektoren (Läuse, Flöhe, Zecken etc. bzw. deren Fäzes) Rickettsien können nicht isoliert angezüchtet werden, sondern nur in den Wirtszellen (z.B. Dottersack von Hühnerembryonen: ca. 109 Zellen/Ei) Sie haben ein erstaunlich kleines Genom von nur 1.1 Mb, typisch für Parasiten.E. coli besitzt z.B. ein ca. 4-fach größeres Genom.
• Geschichte der Fleckfieberforschung - Zahlreiche Epidemien im Zusammenhang mit kriegerischen Handlungen, die für große Menschenansammlungen und schlechte hygienische Verhältnisse sorgten und so die Ausbreitung der Kleiderläuse und Flöhe begünstigten. - Krankheit als solche zuerst 1590 beschrieben, jedoch erst Mitte des 18.Jh. zwischen Fleckfieber und Typhus unterschieden - Erforscht von und benannt nach J.H. Ricketts (gest. 1910) und S. Prowazek (gest. 1915), C. Nicolle entdeckte Übertragung durch Läuse (Nobelpreis 1928)
• Burkholderiaceae Alcaligenes eutrophus = Ralstonia eutropha (jetzt: Wautersia eutropha)... der Bioplastik-Hersteller Poly--hydroxybutyrat (Bioplastik) als Speicherstoff Anfärbung: Sudanschwarz Die Akkumulation von PHB wird unter Mangelbedingungen (z.B. N, P-Mangel) erreicht PHB ist ein biologischer Polyester und deshalb auch gut biologisch abbaubar. Die Biopol-Flasche wird in 12-24 Monaten ganz abgebaut Die Produktionskosten sind aber immer noch so hoch, dass bishernur medizinische Anwendungen in Frage kommen.
• Spirillaceae Spirillum volutans ... das „Monster“ unter den Spirillen "Monster" Spirillum volutans (20- 50µ lang) wahrscheinlich bereits ca. 1670 von A. van Leeuwenhoek beobachtet
• Begeißelungstypen monopolar - monotrich (Begeißelung auf einer Seite mit einer Geißel) monopolar - polytrich (Begeißelung einseitig mit vielen Geißeln) bipolar - polytrych (amphitrich) peritrich ( Begeißelung am ganzen Bak.)
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• Neisseriaceae Neisseria gonorrhoeae der Erreger der Gonorrhö, der am weitesten verbreiten Geschlechtskrankheit,ist sehr empfindlich gegen Austrocknung Die früher übliche vorsorgliche Behandlung der Augen von Neugeborenen mit Silbernitrat (oder Penicillin) dient der Bekämpfung dieser Krankheit (Gefahr von Entzündung der Augen und Blindheit). Heute wird durch pränatale Diagnostik das Risiko einer unerkannten Gonorrhö ausgeschlossen. Orale Verhütungsmittel führen zu einer Änderung des pH in der Vagina, so dass Milchsäurebakterien unterdrückt werden. Dies wiederum erleichtert die Besied-lung mit N. gonorrhoeae . Die Infektion bleibt bei Frauen meistens unerkannt.
• Heterotrophe Proteobakterien (γ-subdivision) Pseudomonadaceae Vibrionaceae Enterobacteriaceae
• Pseudomonadaceae Wasserorganismen polare Begeißelung monopolar polytrich = lophotrich strikt aerob Entner-Doudoroff-Weg Ps. fluorescens - Siderophore Ps. aeruginosa (lat. aerugo = Grünspan)  - opportunistischer Krankheitserreger Ps. syringae - Pflanzenpathogen Azotobacter vinelandii - frei lebender N-Fixierer Löslichkeit von Fe3+ ist bei pH7 sehr gering wg. OH-Komplex (10-18 mol/l)
• Farbstoffe fluoreszierender Pseudomonaden Die gelb-grün fluoreszierenden Pigmente haben die Funktion von Siderophoren (Pyoverdine/Pseudobactine). Es handelts sich um Chromopeptide mit einer Peptidkette von 6-10 Aminosäuren und einem Chromophor. Prinzip: Phenole/Catechole oder Hydroxamate Eisen wird als Fe3+ von der Hydroxamat-Gruppe gebunden und innen als Fe2+ wieder freigesetzt. Das Siderophor gelangt erneut nach außen und wiederholtden Vorgang.
• Siderophore sind Infektions/Kontaminations-Helfer: Fe-bindende Proteine stellen einen Abwehrmechanismus gegenMikroben dar,  z.B. Conalbumin (Eiklar)Lactotransferrin (Milch, Tränen, Speichel)Serotransferrin (Blutserum) Mit Hilfe von Siderophoren = Pyoverdinen/Pseudobactinen(Affinitätskonstante: 1030) wird dieser Abwehrmechanismus unterlaufen.
• Ps. aeruginosa ist ein opportunistischer Krankheitserreger (Infekte der Harn- und Atemwege, Wunden). Typischer Krankenhauskeim, der vielfach resistent ist gegen Antibiotika. nosokomiale Infektionen
• Ps. syringae ist ein typischer Pflanzenpathogener Ps. syringae synthetisiert bei tiefen Temperaturen an der Oberfläche ein Protein, das die Eiskristallisation auslöst. - Anwendung in "Schneekanonen" vermehrt sich im Zwischenzellraum (Apolast) und ist in der Lage, Toxine, Hormone und andere Effektoren zu produzieren. Dadurch bringt er den Stoffwechsel durcheinander (z.B. Indolessigsäure) und unterdrückt Abwehrmechanismen der Pflanze.
• Azotobacter vinelandii ist ein frei lebender Stickstofffixierer Kapseln und Schleime tragen dazu bei, dass Nitrogenase vor Sauerstoff geschützt wird. Cysten sind resistent gegen Austrocknung und UV-Strahlung, aber nicht besonders hitze- tolerant. Cysten sind keine Sporen
• Vibrionaceae Wasserorganismen polare Begeißelung monopolar monotrich fakultativ aerob Biolumineszenz (marine Stämme) Toxine Vibrio fischeri und Arten der Gattung Photobacteriumsind bioluminiszent
• Photoblepharon palpebratus flashlight fish Das System wird erst induziert, wenn die Konzentration eines Signalmoleküls einen Schwellenwert übersteigt „Quorum Sensing“ Aufgrund der Konzentration des Signalmoleküls kann der Mikro-organismus die Dichte der Population wahrnehmen und dann denStoffwechsel umstellen (z.B. Licht erzeugen, Schleime produzieren,Toxine bilden etc.)
• Krankeitserregende Vibrionen z.B. V. cholerae Ursachenforschung im Zusammenhang mit einer CholeraEpidemie in London (1855) zeigte erstmals den Zusammenhang zwischen Wasserversorgung und dieser KrankheitJohn Snow 2 Wasserwerke mit Themsewasser aus dem Stadtzentrumund die Lambeth-Company, die Wasser von stromaufwärtsverwendete.
• Taxonomie Prokaryonten lassen sich erst mit Hilfe der Sequenziertechnik klassifizierenund in einem Stammbaum organisieren.
• Endotoxine sind Teile der äußeren Zellmembran Gram-negativer Bakterien (insb. Lipid A), die vom Immunsystem als fremd erkannt werden Endotoxine verursachen Fieber (pyrogen), weil Makrophagen angeregtwerden, Interleukin I (IL-1) zu produzieren, das im HypothalamusProstaglandine freisetzen und auf diese Weise den „Thermostat“ heraufsetzen. Fieber fördert die Produktion von T-Lymphocyten und Interferon
• Exotoxine werden in den Mikroorganismen produziert und in das Medium freigesetzt Es handelt sich um Proteine, die hochspezifisch sind in ihrem Effekt auf bestimmte Gewebe. Man unterscheidet z.B. Cytotoxine, Neurotoxine und Enterotoxine. Letzterebeeinträchtigen den Gastrointestinaltrakt Vibrio cholerae Das Cholera-Toxin bindet an das Darmepithel und induziert dieBildung von cAMP in den Zellen. cAMP bewirkt, dass Na+ nicht weiter aufgenommen und stattdessen Cl-exportiert wird. Die hohe Ionenkonzentration im Darmlumen führt zu starkem Wasserverlust (Durchfall). Behandlung:ElektrolytersatzAntibiotika hemmen V.cholerae, haben aber keinen Einfluß auf bereits produziertes Enterotoxin.
• Enterobakterien Enterobacteriaceae Darmbakterien (Minderheit)  peritriche Begeißelung fakultativ aerob Oxidase negativ Gemischte-Säure-Gärung Besiedelungsequenz im Darm: Milchsäurebakterien (pH sauer) Enterobakterien (→ anaerob) E.coli (1%) Bacteroides Eubacterium Bifidobacterium E.coli, Salmonella, Yersinia, Enterobacter, Serratia
• Gärungsstoffwechsel In der Summe werden bis zum Pyruvat aus einem Molekül Glucose2 ATP und 2 NADH gewonnen. Im Gärungsstoffwechsel muss NAD+ regeneriert werden. 1. Gemischte Säure-Gärung (typisches Produkt: Formiat) 2. Gemischte Säure-Gärung (typisches Produkt: Butandiol)Ergebnis: weniger Säure, viel mehr Gas (mehr CO2 als H2)
• Trinkwasseranalyse Gemischte-Säure-Gärung (Formiat)E.coli Darm Salmonella Gemischte-Säure-Gärung (Butandiol über Acetoin)Enterobacter Boden/WasserSerratia einige Stämme sind pathogen  i.R. pathogen (immunologische Unterscheidung nach O- und H-Antigenen)
• Der IMViC-Test Methylrot-Test Voges-Proskauer Reaktion (Acetoin-Nachweis)(Wenn das eine positiv ist muss das andere negativ sein, außer es besteht Kontamination) In der Trinkwasser-Analyse gilt der Nachweis von E.coli-Zellen als Hinweis auf fäkale Verunreinigung. Daher muss E.coli von anderen Enterobakterien, die nicht im Darm vorkommen, unterschieden werden. Grenzwerte:Gesamtzahl an Bakterien < 100/mlkeine einzige E.coli-Zelle in 100 ml
• E.coli ist nicht immer harmlos Es gibt etwa 200 pathogene E.coli-Stämme, die Durchfallund Harnweginfekte verursachen. Besonders gefährlich sind die sog. EHEC-Stämme(= enterohemorrhagische E.coli), die blutigen Durchfall undNierenversagen bewirken können, z.B. E.coli O157:H7.
• Salmonella typhi (Unterleibstyphus = typhoid fever (engl.)) S.typhimurium (Gastroenteritis) Typisch für Samonellosen sind:Kopfschmerzen, BauchschmerzenErbrechenhohes Fieber (40-41 ºC)Durchfall Problem: Dauerausscheider(5% der Erkrankten, Erreger persistieren in Gallenblase)

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