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Mikrobiologie (Subject) / Erweiterung (Lesson)

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• Yersinien sind nach Alexandre-Emile-John Yersin benannt, einem Entdecker des "Pest-Bacillus" = Pasteurella pestis Yersinia pestisverursacht die Beulenpest1/3 der gesamten europäischen Bevölkerung fiel dieser Seuche im Mittelalter zum OpferQuelle: Rattenflöhe Yersinia enterocoliticaverursacht ähnliche Symptome wie SalmonellenQuelle: kontaminierte Fleisch- und Milchprodukte
• Heterotrophe Proteobacteria (δ-subdivision) Sulfatreduzierer - Desulfo ... Myxobakterien - Myxo ... Die Sulfat-Atmung ist bei δ-Proteobakterien weit verbreitet,Aber nicht auf diese beschränkt. Es gibt sie auch noch bei Gram-Positiven und bei Archaea. Desulfovibrio desulfuricansDesulfonema limicolaDesulfobulbus propionicusDesulfobacter postgatei
• Sulfat-Reduzierer O2 Beziehung? Vorkommen? Rolle der Sulfatreduzierer im Naturhaushalt? In der Sulfat-Atmung dient Sulfat als Elektronen-Akzeptor und wird zu H2S reduziert sind strikt anaerob, (evtl. auch fakultativ anaerob) Vorkommen: anoxische Wasser- und Sedimentzonen (Schwarzschlamm), Darm von Säugern Rolle der Sulfatreduzierer im Naturhaushalt:- Verwertung von Gärungsendprodukten (z.B. Faulschlamm)- Schwefelkreislauf(Bereitstellung reduzierter Schwefelverbindungen für Phototrophe) Assimilation = Einbau in schwefelhaltige Aminosäuren Dissimilation = Verwendung als Elektronenakzeptor, Sulfid wird ausgeschieden Sulfatreduzierer stehen am Ende der Gärungskette, d.h. sie nutzen die Endprodukte anderer Gärer, z.B. Acetat (Glucose ist dann schon lange aufgebraucht). Wegen der Befähigung zur Wasserstoffoxidation sind Sulfat-Reduzierer für die nanaerobe Eisenkorrosion verantwortlich.
• Myxobakterien bewegen sich gleitend, sie kommunizieren miteinander und haben einen komplexen Entwicklungszyklus mit Fruchtkörpern und Myxo- sporen (Differenzierung) überstehen Austrocknung Schleimspuren werden von anderen „Myxos“ mitbenutzt Die Aggregation und Entwicklung der Fruchtkörper wird durch Nahrungsmangel ausgelöst Genom doppelt so groß wie in E.coli (9.5 Mbp) Myxococcus fulvus (0.13 mm) Myxococcus stipitatas (0.17 mm) Mellitangium erectum (0.05 mm) Chondromyces crocatus (0.6 mm)
• Isolierung und Anreicherung - Myxobakterien a)„rabbit droppings“b)Wasseragar mit Futterbakterien (werden lysiert) Wegen des ausgeprägten Sekundärmetabolismus sind Myxobakterien auch als Produzenten für Naturstoffe (z.B. Antibiotika) biotechnologisch interessant
• Heterotrophe Proteobacteria (ε-subdivision) Helicobacteraceae Helicobacter pylori Die Entdeckung von Helicobacter pylori Robin Warren und Barry Marshall (AUS) isolierten den Organismus erstmalig 1982 aus Gewebe von Magengeschwüren. Sie brachten damit das Dogma zu Fall, dass Magengeschwüre eine Folge von Stress, Rauchen und ungesunder Lebensführung seien. Selbstversuch von Barry Marshall Nobelpreis 2005
• Helicobacter pylori Heute wissen wir, dass dieser Organismus durch Harnstoffspaltung (Urease) lokal die Magensäure neutralisiert und mit der Zeit die schützende Magenschleimhaut zerstört. Schätzungsweise 30-50% der Bevölkerung aus entwickelten Ländern sind infiziert, allerdings entwickeln nur etwa 15% von diesen auch tatsächlich Magengeschwüre. Behandlung mit Antibiotika.
• Toxine a) Endotoxine b) Exotoxine
• Phototrophe Bakterien Proteobakterien (Purpurbakterien) Heliobakterien (Gram-positiv) Grüne Schwefelbakterien Grüne Nicht-Schwefelbakterien Cyanobakterien + Prochlorophyten Halobakterien (Archaea) Die Proteobakterien haben gemeinsame phototropheVorfahren (Purpurbakterien haben Phototrophie bewahrt)
• Vergleich von Chemolitho- und Photolitho-Autotrophen Chemolithotrothic metabolism:Die Erzeugung von Biomasse aus CO2 ist immer mit einer Reduktion verbunden Photolitho-Autotrophe:Die Elektronen für die CO2-Fixierung kommen aus dem Wasser bzw. aus reduzierten S-Verbindungen (z.B. H2S) Wasser  → Pflanzen, Algen, Cyanobakterien, (oxigen) reduzierte S-Verbindungen → Schwefelbakterien(anoxigen): Purpurbakterien, Grüne Bakterien
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• Stratifizierung Die Begriffe Stratifikation und Stratifizierung bedeuten allgemein die Ablagerung von Schichten
• Winogradsky-Säulen stellt ein anaerobes Miniatur-Ökosystem dar, in dem sich verschiedene Nährstoff-, H2S-, Sauerstoff- und Lichtgradienten ausbilden, was zu einer schichtweisen Entwicklung der verschieden angepassten Mikroorganismen führt.
• lichtverwertenden Moleküle Chlorophyll a (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien) Chlorophyll b (formyl statt methyl) Bei Bakterien kennt man 7 verschiedene Bakteriochlorophylle (a-g),zwei davon bei den Proteobakterien: a (800-900 nm), b (> 1000 nm)
• Chlorophyll Chlorophyll a → blaugrün - Cyanobakterien, alle Eukaryoten Chlorophyll b → gelbgrün - Grünalgen, Euglenozea, alle Landpflanzen Chlorophyll c → grün - Braunalgen, Kieselalgen, Goldalgen, Kalkalgen Chlorophyll d → rot - Rotalgen
• Vergleich Chlorophyll a und Bacteriochlorophyll a Bakteriochlorophylle haben ihr Absorptionsmaximum im längerwelligen Bereich als Pflanzenchlorophylle a/b Bakteriochlorphyll b hat extrem langwelliges Absorptionsmaximum (1020-1040 nm)
• Aufgaben Carotinoide 1) Lichternte-Moleküle für die Chlorophylle 2)Photoprotektion (Schutz for toxischen Sauerstoffradikalen) Die Carotinoide sind hauptsächlich für die Farbe verantwortlich Mutante ohne Carotinoide (Bacteriochlorophyll a ist blau)
• Phototrophe Proteobakterien (Purpurbakterien) Beispiele? Je nachdem ob bei der Sulfidoxidation intermediär Elementarschwefel abgelagert wird oder nicht, spricht man von schwefelhaltigen oder schwefelfreien Bakterien. „Schwefelpurpurbakterien“ (γ-Proteobakterien):Thiospirillum jenenseChromatium okeniiEctothiorhodospira „Schwefelfreie Purpurbakterien“ (α,β-Proteobakterien):Rhodopseudomonas acidophilaRhodobacter sphaeroidesRhodocyclus purpureus
• Wo sind die photosynthetischen Pigmente in Bakterien lokalisiert? Der innere Teil der Chloroplasten (bei Pflanzen und Algen) mit den Thylakoiden ist bakteriellen Ursprungs. Ganz ähnliche Membraneinstülpungen findet man auch bei einigen Proteobakterien flache Stapel (wie Thylakoide) oft auch periphere Lamellen (bei Cyanobakterien) oder Vesikel oder Chlorosomen in Grünen Schwefelbakterien
• Cyanobakterien Cyanobakterien sind bekannt für ihre Anspruchslosigkeit und dafür, dass es zu Massenentwicklungen (Wasserblüten, ggf. mit Toxinen) kommen kann. eindeutige Procaryonten Gram-negative Zellwand einzigen phototrophen Bakterien, die oxigene Photosynthese betreiben Photosynthesepigment ist Chlorophyll a, wie bei den Pflanzen (nicht Bacteriochlorophyll) kein Chlorophyll b gefunden, stattdessen gibt es Phycobiline (Phycocyanobilinund Phycoerythrobilin). Letzteres kommt nur noch bei den Rotalgen vor.
• Phycobiline in Cyanobacterien sind Chromophore (Farbe) der Photosynthese Gehalt steigt mit sinkender Lichtintensität (verantwortlich für blau-grüne Farbe)
• Wie sind oxigene Photosynthese und Sauerstoffempfindlichkeit der Nitrogenase vereinbar Cyanobakterien sind gute N-Fixierer → Heterocysten
• Prochlorophyten Kandidat als Vorläufer der Chloroplasten verwandt mit den Cyanobakterien, aber statt Phycobiline Chlorophyll b wie bei Algen Trotzdem sind Prochlorophyten nicht das direkte „missing link“ der Endosymbiontentheorie. Vielmehr geht man davon aus, daß Prochlorophyten, Cyanobakterien und Chloroplasten einen gemeinsamen Vorfahren haben.
• Lichtreaktion Der lichtgetriebene zyklische Elektronenfluss erzeugt einen Protonengradienten über der Membran Typ IIElektronenfluss in Proteobakterien über Chinone und Cytochrome (ATP-Erzeugung)Elektronenfluss in Proteobakterien (NADPH-Erzeugung)Reduzierte S-Verbindungen als Elektronendonor (S2- → SO42-)
• Lichtreaktion und Elektronenfluss im Vergleich Unterschied Wegen negativerem elektrochemischem Potential ist bei Grünen Schwefelbakterien (Typ I) eine direkte Reduktion von NAD bzw. NADP über FeS-Cluster möglich.
• Dunkelreaktion Wege der CO2-Fixierung Calvin-Cyclus (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien, Purpurbakterien, chemolithotrophe Proteobakterien) Der reduktive Citrat-Cyclus (Grüne Schwefelbakterien) (auch bei einigen Sulfatreduzierern und Hyperthermophilen)
• photoorganotroph Bakterien, die statt H2S organische Elektronendonoren verwenden typisch für Nicht-Schwefel-Pupurbakterien (α-, β-Proteobakterien) - Rhodobacter capsulatus Dieser vielseitige Organismus kann CO2 über den Calvin-Cyclus fixieren,tut das aber nur, wenn er muss wächst gerne mixotroph, d.h. der Zellkohlenstoff kommt sowohl aus der CO2-Fixierung als aus organischen C-Quellen (z.B. Gärprodukte anderer Bakterien). Die CO2-Fixierung dient dann als Elektronenabfluss für die bei der Oxidation von reduzierten Verbindungen (z.B. Malat) entstandenen Reduktionsequivalenten. Der Organismus ist so vielseitig, dass man (unter besonderen Bedingungen)auch noch Atmung und Gärung findet.
• Halobakterien sind Archaea heterotroph haben ein einzigartiges Molekül (Bacteriorhodopsin) zur Energeigewinnung aus Licht
• Bacteriorhodopsin gibt es nur bei Halobakterien es befähigt einige Arten zur lichtabhängigen ATP Synthese es ist dem Rhodopsin im Auge ähnlich; auch mit Retinal verbunden es ändert wie Retinal seine all-trans-Konfiguration in cis, dabei wird ein H+ von innen nach außen transportiert → langsames, anaerobes Wachstum möglich rote Farbstoff Bacteriorhodopsin sitzt in der Membran. Es handelt sich um eine lichtgetrieben H+-Pumpe, die der Energiegewinnung dient. Bei Belichtung verändert sich die Farbe von violett nach gelb. Anwendung: Bakteriorhodopsin für fälschungssichere Dokumente
• Gram-positive Bacteria (low GC, high GC) Phylum: Firmicutes steht heute für low-GC Gram positive; die anderen (high GC) heißen Actinobacteria 64 Tripletts kodieren nur 20 Aminosäuren. Je nachdem welche Kodonsbevorzugt verwendet werden, beeinflusst den GC-Anteil des Genoms. Leucin und Arginin sind 6-fach kodiert Methionin und Tryptophan nur einmal
• Aufbau einer Gram-positiven Zellwand mit Teichonsäuren (neg. geladene Polyalkohole) ist für beide Gruppen gleich a) ohne Sporen Staphylococcus fakultativ aerobMilchsäurebakterien - mikroaerotolerantPeptococcus et al. anaerob b) mit SporenBacillus  aerobClostridium anaerob
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• Staphylococcus (σταφυλος = Weintraube) fakultativ anaerob z.B. Staph.epidermidis, Staph.aureus (normale Hautflora) Staph.aureus ist an der Entstehung von Eiterbeulen und Pickeln beteiligt. Dabei spielt die Coagulase eine wichtige Rolle (Schutz vor Phagozytose) Staphylococcus aureus ist ein opportunistischer Krankheitserreger, der oft multiple Resistenzen gegen Antibiotika* trägt und auch geringe Wasseraktivität (hohe Salinität) toleriert. * MRSA-Stämme = Methicillin resistente S.aureus (resistent gegen alle Penicillin-Antibiotika) Produzent von Toxinen außerdem Nahrungsmittelvergifter (ungekühlte Lebensmittel)
• Milchsäurebakterien mikroaerotolerant keine Hämine, keine Katalase haben komplexe Wuchsstoffansprüche Besonderheit: Lactose-Verwertung (-Galactosidase) Vorkommen:- Milch und Milchprodukte- sich zersetzende Pflanzenteile (Sauerkraut)- Darm und Schleimhäute von Mensch und Tier... nie in Boden und Wasser Beispiele für Milchsäurebakterien:Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. helveticus(= Käsereifung, Joghurt)Lactobacillus plantarum (= Silage, Sauerkraut)Streptococcus salivarius (Säureschutz dr Haut)Listeria monocytogenes Stäbchenform keine Pathogenen unter den Lactobacilli
• Besiedelung des Urogenitaltraktes Die Blase ist i.R. steril  Enterobakterien (E.coli, Klebsiella, Proteus) im Harnleiter, ggf. HarnweginfekteLactobacillus acidophilus in der Vagina
• Streptokokken-Form Streptococcusauch Enterococcus, Lactococcus,Leuconostoc hier gibt es auch pathogene Vertreter Bewuchs Zahnoberfläche (Streptococcen-Plaque)
• Milchsäurefermentation je nachdem ob die Aldolase vorhanden ist oder nicht: Homofermentativ Heterofermentativ
• Homofermentative Milchsäuregärung Im Verlauf der homofermentativen Gärung von Glucose werden je Molekül Glucose je zwei Moleküle Lactat und ATP gebildet Nettoenergieausbeute beträgt also 2 Moleküle ATP je Molekül Glucose
• Heteroferm. Milchsäuregärung In der Bilanz wird von den zwei gewonnenen ATP eins zur Phosphorylierung der abzubauenden Glucose verwendet, beim Acetatzweig aber keines gebildet. Infolgedessen beträgt die Nettoenergieausbeute bei der heterofermentativen Milchsäuregärung für Hexosen nur ein Molekül ATP je Hexose: mangel an Aldolase und triphosphat isomerase Bei dem Abbauweg wird ein ATP je molekül Glucose gewonnen. & CO2 und Ethanol/Acetat
• Peptococcus, Peptostreptococcus und Ruminococcus sind strikt anaerobe typische Darmbakterien Beteiligung an:Vitaminsynthese (Thiamin, Riboflavin, Pyridoxin, B12, K#)Gasproduktion (CO2, H2, Methan)Geruchsstoffbildung (NH3, H2S, Amine, Skatole (Abbauprodukt des Tryptophan), Buttersäure)Steroidstoffwechsel (Umwandlung der Gallensäuren)
• Listeria monocytogenes Milchsäurebakterium wichtiger Lebensmittelverderber in Fleisch und unpasteurisierter Milch Listerien sind säure-, salz- und kältetolerant, so dass auch gekühlte Lebensmittel nicht sicher sind. benannt nach Joseph Lister, einem engl. Chirurgen, der sich über dieSterblichkeit in der chirurgischen Abteilung seines KrankenhauseGedanken machte (Operation vs. Schlachtfeld). Erstmalige Verwendungvon Phenol als Antiseptikum (1865)*. * 1861-65 Amerikanischer Bürgerkrieg; 1855 John Snow, Cholera in London
• Listeria monocytogenes Das Bakterium wird durch Phagocytose aufgenommen (Makrophagen,Darmepithelzellen), entkommt aber dem Lysosom, vermehrt sich in der Zelle (Phagosomen) und breitet sich über Aktin-Polymerisation auf die Nachbarzellen aus. Problematisch bei Neugeborenen, älteren Menschen und immungeschwächten Personen (z.B. HIV). Mortalität: 20%
• Sporenbildner Bacillus, Clostridium Bacilli sind typische aerobe Bodenbakterien, sehr heterogene Gruppe Clostridien sind strikt anaerob. Man unterscheidet zwei Hauptgruppen:saccharolytische Clostridien: Vergärung von Kohlenhydraten (Zucker, Zellulose, Stärke)Hauptgärungsprodukte der saccharolytischen Clostridien sind Buttersäure, Aceton, Butanol, Kohlenstoffdioxid und molekularer Wasserstoff (H2). peptolytische Clostridien (Spaltung von Eiweißen und/oder paarweise Umsetzung von Aminosäuren) Sporen erscheinen im Phasenkontrast als stark lichtbrechende Einschlüsse gibt einige Bacillus-Arten, die Insektizide produzieren (biotechnologische Anwendungim sogenannten Bt-Mais)andere sind auch für den Menschen höchst gefährlich:Bacillus anthracis schützt sich mit Polyglutamat-Kapsel vor Immunsystem
• strikt anaeroben Clostridien sind Gärer Typischer Gärungsstoffwechsel saccharolytischer Clostridien C.acetobutylicum, C.butyricum Clostridium acetobutylicum - Aceton herstellung
• Actinobacteria Bakterien mit hohem GC-Gehalt, also einem hohen Anteil der Nukleinbasen (Guanin und Cytosin) in der Bakterien-DNA a) Coryneforme (Arthrobacter (aerob), Corynebacterium, Propionibacterium (mikroaerotolerant)) b) Mycobakterien (aerob) c) Actinomyceten (meist aerob) a→b→c      steigende Tendenz zur Verzweigung Bei den Actinomyceten im engeren Sinne (Actinomycetaceae, Streptomycetaceae etc.) ausgeprägte Mycelbildung
• Coryneforme Typisch Keulenform und V-Zellen* * hat etwas damit zu tun, dass Zellteilung durch einseitiges "Aufreißen" erfolgt Arthrobacter:typisches Bodenbakteriumwandelt sich vom coryneformen Stäbchen zum CoccusTrockenresistenz der kokkoiden Form (mehrere Monate)
• Corynebacterium - Zellwand Corynebakterien (und Mycobakterien) haben eine ganz ungewöhnliche Zellwand mit äußerer Membran Mycolicsäure Schicht Arabinagalactan Lipomannan Auch das Genus Corynebacterium hat oft typische „geschwollene“ Enden und ein keulenförmiges Erscheinungsbild (Name) Es gibt biotechnologisch bedeutende Vertreter(z.B. C.glutamicum) sowiewichtige Krankheitserreger(z.B. C.diphtheriae)
• Propionibacterium Vorkommen? kommt typischerweise im Pansen und Darm der Wiederkäuer vor und ist dort an der Bildung von Fettsäuren (hauptsächlich Propionsäure) beteiligt. ist im Schweizer Käse (Emmentaler) an der Geschmacksbildung beteiligtDie Löcher entstehen durch CO2-Entwicklung
• Gemischte Säure-Gärung E.coli Lactose Acetyl + ATP  Ethanol H2 + CO2 vorwiegend Säuren (Lactat, Acetat, Succinat, Formiat).
• Gärung der Propionsäurebakterien Kohlenhydrate oder Milchsäure (Lactat) werden zu Propionsäure (Propionat), Essigsäure (Acetat) und Kohlenstoffdioxid (CO2) vergoren Ist das Substrat Milchsäure, die als Gärprodukt von anderen Mikroorganismen gebildet wurde, spricht man von einer sekundären Gärung. Das Gärprodukt einer ersten Gärung wird dabei weitervergoren. Acetat gebildet und dabei 1 ATP gewonnen
• Umlagerungsreaktion vom Succinyl-CoA zum Methylmalonyl-CoA benötigt Vitamin B12 (Cobalamin) Propionibakterien werden für die biotechnologische Herstellung dieses Vitamins genutzt.
• Mycobakterien - Zellwand Mycobakterien haben Mycolsäure* mit besonders langen Resten (79-85 C-Atome) in der Zellwand und sind „säurefest“, d.h. mit Fuchsin angefärbte Zellen können nicht durch Säure entfärbt werden * gibt es auch bei Corynebakterien und Nocardien Mycolsäuren sind sehr hydrophob und bewirken eine "kordelähnliche" Aneinanderlagerung der Zellen Ursache für "knorpeliges" Wachstum auf Agar:sehr hydrophobe, wachsartige Zelloberfläche

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