Vorkommen, Größe, Morphologie, Aufbau, Beweglichkeit, Taxis, Wachstum & Vermehru

Krankheitserreger Nahrungsmittelproduktion z. B Milchsäurebakterien in der Milchsäurevereddlung. Abwasserreinigung z. B Kläranlagen Bodensanierung (Beseitigung von Altlasten hazardous waste) Abluftreinigungz. B Entfernung von Geruch Feinchemikalienherstellungz. B Schimmelpilz = Vit. C, Citronensäure Herstellung Gründüngung green manure :z. B  Prokaryoten - einzige Lebewesen, die Stickstoff fixieren können        & Eukaryoten (Mensch) Biogasproduktionz. B Energiegewinnung bei Methanproduktion Erzabbau mining 

Praktisch Überall, wo mikrobiologisch besiedelbare Bereiche: Boden: 109  Zellen/g See: 106 • 107  Zellen/ml  Meer: 105  •  106  Zellen/ml  (Weniger als See weil viel Mikro. in hoheren Salzkonz leben) Haut: 103  Zellen/cm2  Harmloss & gehört auch dahin, Ganz normal Besiedlung: Besorgen dafür Besiedlete Fläche belegt ist, mit Org. mit den Menschn klar kommen. Darm: 1012 Zellen/gAnzahl von Mikro = Anzahl von Köreperzellen

1. Temperatur: Warmegebiete: Thermophil (max 120°C) z. B Vulkaneigel – Pyrodictium Occultum:   Wachstumbereich: 82 - 110°C (Opt. 105°C)– Black Smokers (Schwarze Wolken):   Quellen am Grund der Tiefsee, wenn 400°C heißen Wasser mit hohen Druck &    Temperaturen austritt in kalten Ozean Wasser eintritt,    ⇒ fallen mit Mineralen aus Kaltegebiete: Psychrophil z. B Don Juan See, Antartica Probleme: Limitierend ist Wasser hier (Grundlage für das Leben)→ Wasserblassen! : 16% CaCl2 hat eine Temp. von -12°C                                  (tiefste Temperatur bei mikro. Wachstum nachgewiesen wurde)– Don Juan See (-24 – -3°C)    Hier noch flüssig weil eine hohe Konz. von CaCl2 hat. Salz Toleranz: Löslichkeitgrenze = 30% NaCl Manche benötigen hohe Salzkonz. zum Wachstum: Halophil – Holo-salz-bacterium    → In totes Meer (Salz Ausfällungen als Kristalien) aber diese Bak. haben extrem         hohe Intrazelluläre Kaliumkonz. (K+)        ⇒ sie gleichen NaCl-Konz im Wasser aus = kein osmotischen Druck,            so können sie sich frei eine Form anpassen = Rechteckig– Halo-arcula = Dreieckig– Halo-quadratum Walsbyi = Rechteckig, Flach, viel Gas Blächen um an bestimmte Höhe des Wasser zu schweben weil es auf O2 angewiesen ist. Dadurch können die genaue Sauerstoffkonz. einstellen, die ihnen passt. 

1. pH 0 - 11z. B  Picrophilus: Wachstum opt. = pH 0,7 , Temp. 65°C         - in Konzentrierte Schwefelsäure → niedrigen pH, bekommen sie H+ so geliefert.          = kein Arbeitsaufwand, idealer energetischer Zustand         - Beim hohen pH-Wert → müssen Protonen reingeschaufelt werden.z. B  Acidithiobacillus  2. Anaerobe Abwesentheit von Säurestoffz. B  Für menthanproduzierende Mikroo. O2 ist extrem schädlich, Produktion findet nur ohne O2 statt. 3. Strahlung Menschlicher Organismus kann ertragen: 0,02-0,05 Gray, Tschernobyl: 30-50 Gray z. B Deinococcus: 5000 Gray 

1. bei Bak.: Minuten, schnellste 20 min/Tage (unter opt. Bedigungen)  2. Bakterien haben eine große Zellzahl = 1030 Zellen (Mensch = 1012/13 Körper Zellen)dadurch können Sie sich in der Evolution & Umwelt gut bewähren.

Mikroorganismen (diverse Organismusgruppen)  Eukaryoten (Mit Zellkern & Kern Membran) Prokaryoten (Zellkornlose Organismen):– Bakterien– Archaea Viren (Komplexe Chemikalien)

1. Größe:  Pauschall = ∼ 1μm Bakterien fangen etwa bei 2μm an:z. B Thiomargarita namibiensis 750μm        → Größtes bekannte Bakterium, das wir heute kennen.              E.coli = 2μm Viren:z. B Poliovirum = 0,03μm       → Kleinste bekannte Viren.            Pockenvirus = 0,35μm     → Eines der größten Viren.. 2. Aufbau: Oberflächen zu Volumen Verhältnis = Effizienter wenn dieses Verhältnis groß ist! → Kleinheit ist ein absoluter Vorteil → Energie produzierende Prozesse finden an der Membran statt. Prokaryoten: (Untershiede zu Euk.)– Kein Kern– keine membranumschlossenen Organellen – Einfach Genome: 0,5 - 0,8 Megabasen (MB)    z. B  S. cerevisae = 20 MB             Mensch = 3000MB– Kleine Zellen:   Pro. = 0,5 - 5,0 μm   Euk. =  10 - 100 μm– DNA Replkation: Proteinbiosynthese – Zellwandaufbau:    z. B Magnetospirillum gryphiswaldense: mit intrazellular Nanopartikel aus Magnetit           (Fe3O4), die von der inneren Zellmembran abgeschnürt werden & sich mit deren            Hilfe am Erdmagnetfeld auszurichten.

1 a) Dominerende Zellform: Kokken (Coccus) = Kugelförmigz. B  Staphylococcus aureus Stäbchen z. B  Bacillus haben helle Pünktchen (Sporen), wobei Toxin produziert werden. z. B  Salmonellenz. B  Escherichia coli Knospung:  in der Hyphenform z. B   Saccharomyces cerevisiae * Aspergillus niger : Diese dunklen Sporen sind sehr deutlich auf dem Bild erkennbar. 1 b) Exotische Form: Spirillen  FIlament z. B  Chlorofezus aurantiacus 2. Zellhülle Cytoplasmatische Membran: Doppelschicten (Barrier zu Umwelt)  Phospholipide sind amphiphil (hydrophiler Kopf + lipophiler Schwanz)– Oberfläche: polare Seite ; Innenfläche: unpolare Seite – Diacylphosphotidylethanolamin = Fettsäure Kette   •  Start variieren in Bak.     •  Können DB einfügen    •  bei Bakterien, die ihre Zellen active temp.maßig kontrollieren können, werde die        Membran Modifiziert:        – Kälte = Infügen von DM        – Termophil = Kein DB wiel, die instabil sind (Statt Esterbindung, ist hier                                ETHERbindung (stabiler)

Peptidoglycan-Schicht (Murein-Sacculus Schicht) Makromoleküle aus Zuckerderivaten (Glycan-Strang) & Aminosaüren (Peptidseitenketten) zusammengesetzt. Zucker: N-Acetyl-glucosamin (Glu-NAc) = Chitin             N-Acetyl-muraminsäure (Mur-NAc) = Chitin mit Lactatrest– Bindung zw. Zuckereinheiten = 1,4-glykosidisch Verknüpfung Besonderheit der Murein:– Ungewöhnliche AS mit mesomerer Verknüpfung (Meso-DAP)– AS über Laktat-Rest angehängt– Die spez. AS wird von spez. Enzyme extrazellularen aufgebaut    = sehr energetic aufwandig       → weil Ribosomen kein komplexe Moleküle bilden könnenz. B  Enzym: für die Quervernetzung der Peptidoglycan verantwortlich         ⇒ DD-Transpeptidase / Penicillin Bindendes Protein (PBP)  Aufbau: Jede Mur-NAc verbindet sich zu 4/5 Amino-Rest:z. B  Escherichia coli (Gram-Negativ):         1. L-Alanin (L-Ala)        2. D-Glutaminsäure (D-Glu)        3. meso-Di-amino-pimelinsäure (meso-DAP)        4. D-Alanin (D-Ala)z. B  Staphylococcus aureus (Gram-Positiv):        1. L-Alanin (L-Ala)        2. D-Glutamin (D-Glu-NH2)        3. L-Lysine (L-Lys)        4. D-Alanin (D-Ala)            → mit 5 Glycine Interpeptidbrücke (Gly)5

Problem: Da wir außerhalb der Zelle befinden, sind kein ATP vorhandenDer Trick: Eine 5. Aminosäure ist temporal synthetisiert (identisch zu der 4. AS) Das Enzym Transpeptidase (= für die Quervernetzung Peptidoglycane der bakteriellen Zellwände & damit für ihre Festigkeit verantwortlich) → spalten die Verbindung zw. der 4.— 5. AS    die daraus folgende freigesetzte Energie wird dann für die Quervernetzung angewendet. Folge: 4.— 5. kann von andere AS (bei manche Bak.) ersetzt werden.          ⇒ Lysine & Ornithin (weil die funktional identisch sind)  

L-Alanin (L-Ala) D-Glutaminsäure (D-Glu) meso-Diaminopimelinsäure (meso-DAP) D-Alanin (D-Ala)

L-Alanin (L-Ala) D-Glutamin (D-Glu-NH2) L-Lysin (L-Lys) D-Alanin (D-Ala)

Penicillin/ β-Lactams-Antibiotika = Hemmung von Aktvitäts der Transpeptidase (Enzym)  Bei Bakterien wird die Querverbindung zw. Glykansträngen von Enzym D-Alanin-Transpeptidase katalysiert. Das erkennt D-Ala-D-Ala-Verbindung. ⇒ Penicillin binden irreversible an das Enzym D-Alanin-Transpeptidase, da von Penicillin die gleiche Gruppe (aktiver Zentrum) vorliegt, an der das D-Ala-D-Ala erkennt. → Zellwand können nicht mehr synthetisiert werden, & das Bak. verliert seine Schutzhülle. → Daneben kommt es durch den ständigen Auf- & Abbau der defekten Zellwand zu toxischen Abbauprodukten.→ Penicillin wirkt also NUR auf SICH VERMEHRENDE BAK, nicht auf sich teilende,     weil keine Zellwand-Neusynthese stattfindet (da sie vollständig gebildet sind) & daher bildet kein Angriffspunkt für Penicillin mehr.

Außenmembran = Lipo-polysaccharide-Schicht (LPS) Nur bei gram-NEGATIVEN Bakterien Besteht aus 3 Teilen: a) Lipid-Ab) Kernpolysaccharidc) Variable Teil: O-spez. Außenkettea) Lipid-A (Innen): Besonderheit:     – An Glucosamin-Rest (Glc-NAc) angehängt (Bis zu 4 FS pro Glc-NAc)    – Kann als Endotoxin wirken (Toxisch, je nach Bakterienart verschieden sein) b) Kernpolysaccharid     – Stabil bei allen gram-negativen Bakterien vorliegend.c) O-spez. Seitenkette (Außen): ins Medium ragt;     –  Anhand der außen aufsitzenden Zuckerketten zur schnellen Identifikation bzw.  Klassifizierung von Bakterien eingesetzt werden.  

Kapseln + Schleime: kommen nicht bei allen MO’s vor. Wenn Rande schlecht definiert werden = Schleim Wenn Rande gut definiert werden = Kapseln (Schutz gegen Antikörper)  Kapseln: – Feste, geordnete Strukturen, die die Diffusion gelöster Verbindungen durch die Zellmembran erschweren. Schleime: Weniger geordnet, stellen keine Diffusionsbarriere dar.⇒ Beide spielen bedeutende Rolle bei der Anheftung pathogener Bakterien an ihre Zielzelle & der Resistenz gegenüber Abwehrmechanismen des Wirts.

Pili (Fimbrien) = Strukturen zum Andocken an Wirtszellen – Rel. kurz, gerade, unbewegliche Proteinröhren – DNA-Übertragung:􏰃 Austausch von genetischem Material (Sexualpili) 􏰁     → kann zu Antibiotika-Resistenz führen– Richtung immer (F+) nach (F-) Flagellen (Geißeln) = dienen der Fortbewegung – Längere, bewegliche Fortsätze, relativ simple Proteinröhren.– Motor in Zellmembran & –wand dreht die Flagelle im Kreis    → Kleinster Rotationsapparat    → Wird durch protonen-H+-motorische Kraft angetrieben  Bei gram-positiven Bak.:   L- & P-Ring fehlen, da ihnen kein Außenmembran (ink. LPS) besitzen 

Je kleiner die Reynolds-Zahl desto schwieriger ist es für den Körper sich in diesem Fluid fortzubewegen  Je kleiner ein Körper, desto größer erscheint die Viskosität des umgebenden Mediums⇒ Schwierigkeit eines Bakteriums sich in Wasser fortzubewegen (sehr kleine Reynoldszahl)  Lösung: Bakterien haben dafür aber Flagellen (Geißeln), die sie rotieren lassen können, um sich vorwärts zu bewegen.⇒ Durch die Rotation wird in der umgebenen Flüssigkeit eine charakteristische Strömung erzeugt. In Gruppen können sie sich besser ausrichten & eine Strömung in der umgebenden Flüssigkeit erzeugen, die das Schwimmen erleichtert.⇒ Bakterien zusammen schneller schwimmen als das einzelne Bakterium, was z.B. für die Nahrungssuche von Vorteil ist.

Gram-negativen Bakterien: Flagela (nach außen gerichtet) = Antigen für Differenzierung Hacken (gebogen) L-Ring (Lipidpolysaccharid-Schicht) = Äußere Membran P-Ring (Peptidoglykan = Murein) = Perisplasmatische Raum Motorprotein + MS-Ring + Fli-Proteine (Motorschalten) + C-Ring = Cytoplasmamembran Motorprotein = Sorgen dafür, dass sich MS-Ring drehtFli-Proteine = Signal aus Zelle Gram-positiven Bakterien: Identisch aber fehlen L- & P-Ring (Kein Äußere-Membran, LPL-Schicht, Peptidoglykan-schicht)

Chemotaxis- bezeichnet die Beeinflussung der Fortbewegungsrichtung von Lebewesen oder Zellen durch Stoffkonzentrations-gradienten. Lockstoff 􏰀(positive Chemotaxis): Bakterien bewegen sich zielgerichtet auf Lockstoff zu z. B. Zucker, AS Schreckstoff 􏰀(negative Chemotaxis): Bakterien bewegen sich von Schreckstoff weg z. B. Ethanol, Schwermetalle bei einem peritrich begeißelten Bakterium: mit höhen konz. Quellen: → setzt der Taumelreiz (Stopp) später ein, schlagt Flagellen stärker mit niedrige konz. Quellen: → setzt der Taumelreiz früher ein, schlagt Flagellen schwächer  Ohne Quellen: → andauernd „Lauf-Taumel-Lauf“-Fortbewegung:      – Lauf: Flagellen drehen entgegen Uhrzeigersinn      – Taumel: Drehrichtung ändern (Auseinanderfliegen/Aufdrehen der Flagellen)  Nachweis chemotaktischen Verhaltens: Kapillartest 

Bei Bakterien spricht man nicht von der Vergrößerung der Zelle sondern von der Vermehrung der Zellzahl. Nährstoffgruppen: TG =Trockengewicht  Wasser  Kohlenstoff 50% /TG :  Zucker, CO2 Stickstoff 12% /TG     : Ammonium NH4+, Nitrat NO3-, N2  Phosphat 3% /TG     : Bestandteil des ATP, der DNA; PO42- Puffer für pH 6-7,5  Kalium 1% /TG           : K+ um den Turgor-Druck aufrecht zu erhalten = Osmotischer Druck  Schwefel 1% /TG      : AS wie Methionin, sowie für Co-Enzyme; Sulfat SO42-, H2S  Magnesium 0.5% /TG : Mg2+, Stabilität von ATP   Eisen                        :  als Fe2+, Fe3+ Atmungskette 􏰔Andere Spurenelemente;  benötigte Konzentration so gering, dass benötigte Menge bereits in Wasser enthalten ist. 􏰅 Co, Cu, Mn, Mo, Ni

Kulturmedium unterscheidet sich zw.: Komplexes Medium: – Kulturmedium mit chemisch nicht exakt definierten Zusätzen. –  wird benutzt, wenn Nährstoffbedürfnisse von Mikroorganismen noch nicht ausreichend bekannt sind.z. B. Hefeextrakt: gutes Nährmittel, aber nicht genau definierte Bestandteile         Pepton = mageres Fleisch, das von Enzymen anverdaut wird  Definiertes Medium: – beinhalten eine genau bestimmte Anzahl & Menge an Inhaltsstoffen, die chemisch gereinigt werden, um Spuren von anderen Stoffen auszuschließen. – dienen häufig zur Selektion des Wachstums bestimmter Mikroorganismen. (Problem dabei: etw kann fehlen)

Temperatur: Sehr individuell für verschiedene Bakterien; jedes Bakterium hat sein Wachstumsoptimum  Psychrophil: < 15°C  Mesophil: 15 - 45°C  Thermophil: > 45°C  Hyperthermophil: > 80°C  Sauerstoff:  Obligate Aerobier- Auf Sauerstoff angewiesen (Energiegewinnung) Obligate An-aerobie􏰅  - Kein Sauerstoff - Energiegewinnung aus Gärung  􏰔Fakultative Ana-erobier - Unter Sauerstoff bevorzugt lebend, aber auch Wachstum in der an-aeroben Schicht (Stoffwechsel auf Gärung umgeschaltet) Micoaerophile- In geringer Konzentration Sauerstoff-benötigend - In leicht tieferen Erdschichten  􏰔Aerotolerante- Benötigen keinen Sauerstoff, kommen aber mit Sauerstoff aus - In allen Schichten vorkommend 

Wachstum: findet immer in Exponential: sehr schlecht abschätzen aber müssen wir quantifizieren = WachstumsgeschwindigkeitParametern: Generationszeit: g = t / n (t: Zeit, n: Zahl der Verdopplungen)  Teilungsrate: v = 1/g = n / t (Kehrwert der Generationszeit) n = 3,3 • [ log(N) – log(N0) ]  N = Zellzahlt = leicht zu messen. 

Lag-Phase = Anlaufphase:- Zeit-intervall zwischen der Beimpfung & dem Erreichen der maximalen Teilungsrate  Log-Phase = exponentielle Phase:- Exponentielles Wachstum 􏰚 - Kein limitierender NST; Bakterien wachsen mit maximaler Geschwindigkeit  Stationäre Phase:-Ein limitierender Faktor oder das Ausscheidungsprodukt hemmt das Wachstum. Mutationen finden statt:- Aufgrund von Konkurrenz entwickeln die Bakterien Antibiotika gegeneinander  Absterbephase:- Zu viele Stoffwechselprodukte, Zahl der absterbenden Zellen überschreitet die Zahl der sich bildenden Zellen 

Verdünnungsreihe:- nötig um die Konzentration von Proben zu bestimmen & - damit auch bei hoher Bakterienkonzentration noch ein zählbares Ergebnis vorliegt: Zählkammer: Petroff-Hausser-Zählkammer:1. Auszählung von Zellen durch Auflegen auf Zählkammern unter Mikroskope;2. Über das bekannte Volumen kann dann die Zellzahl hochgerechnet werden.     (Gitternetz = 25 Quadrate, gst. Fläche = 1mm2, gst Volumen = 0.02mm3)    Zellzahl N = __Zellen x 25 x 50 x 103- Nachteil: Es kann nicht unterschieden werden ob die Zellen leben oder die Mikroorganismen bereits abgestorben sind  Ausplattieren 1. zu testende Lösung wird mit einer Pipette auf die Agar-Platte aufgebraucht (Probenvolumen 0,1ml) 2. Probe wird gleichmäßig mit einem sterilen Spatel auf der Platte verteilt.3. Platte kommt in die Brutkammer4. Kolonien werden auf der Zelle abgezählt -> Lebendzellzahlbestimmung  Gussplattenverfahren1. Probe wird in eine leere sterile Petrischale gegeben2. flüssiger Nährboden wird dazu gegossen & vermischt3. bebrütet und ausgezählt-> d.h. anaerobe Zone (Kolonie unterhalb der Oberläche) /           aerobe Zone (Oberflächen Kolonie) c) Optische Dichte1. Licht wird durch die Lösung geschickt & das Licht wird spezifisch gestreut (je nach Bakterienkonzentration) welches mit einem Photometer ausgewertet wird 

Differenzierung = Ausbildung von spezialisierten Zellen (bspw. Spezialisierung von Batkerien...)  Hetero-cysten: – Stickstofffixierung– bei Anabaena (Cyanobakterien) Konidien: (Sporen)– zur Verbreitung – Gattung Strepto-myceten Endosporen – Dauerform:    1. Gattung Bacillus:         – B. cereus (Lebensmittelschädling, Toxinproduzent);           – B. anthracis (Milzbrand-erreger)         – B. subtilis (ungefährliche Bak.)    2. Gattung Clostridien: Gram +        – C. botulinum = relaxierend (Botulismus)         – C. tetani = führt zur Dauerkontration (Tetanus) 

6 Phase!Während der Schlaf Stadium, beobachten die Sporen die Umgebung:→ besitzt Rezeptoren, die die Umweltfaktoren wahrnehmen: bei guten Bedingungen:     i) keimen sie aus     ii) schalten die Umwandlung in das vollständige Bakterium ein,      iii) geben Ca2+ auf.         ⇒ Indikator dass die Umgebung stimmt & signalisiert andere Bak. auch. Phase 1:– Normale DNA-Replikation →􏰀 in beiden Kompartimenten liegt der gleiche DNA-Satz vor, – Assymmetrisch Plasmamembran Schnürrung = inäquale Zellteilung  Phase 2:– Kleines Kompartiment = wird von Cytoplasmamembran der Mutterzelle umwachsen    ⇒ Vorspore (frühes Stadium)  Phase 3:– Vollständig umwachsene Vorspore; – Membran des Vorsporen-protoplasten synthetisiert nach außen die Keimzellwand (Germ Cell Wall)  Phase 4 :i) Sporenrinde = Cortex wird von Membran der Mutterzelle (äußere) nach innen synthetisiertii) Dehydrierung der Vorsporeiii) Dipicolinsäure synthetisiert = hilft bei Ca2+-Aufnahme      ⇒ Chelat-Komplex mit Ca2+         ⇒ erhöht die Festigkeit des Cortex (Gel-aritige Struktur für Cytoplasma)iv) SAPs bildet (Small Acid Soluble Protein) in Sporen = in DNA gelagert & stabilisiert sie.        Phase 5:– Sporenmantel + dünne Proteinschicht (Exosporium = äußerste Lage)     wird von Mutterzelle gebildet  Phase 6:– Lyse der Sporenmutterzelle = daher KEINE VERMEHRUNG, da die Mutterzelle sterbt!

spezialisierten Zellen: von BAKTERIENEndosporen = als Dauerform NICHT als Vebreitungsform!– Sie bilden sich innerhalb einer Sporen-mutterzelle, können aus der Mutterzelle hinaus & überleben dort als Dauerform. – Eigenschaft: Resistent gegen Hitze, chemische Behandlung durch Säuren, Desinfektionsmittel, Strahlen, da sie stark dehydriert sind (nur 10-30% Wasseranteil) ⇒ Überlebensfähigkeit: 25-40 Mio. Jahre ⇒ 􏰀Folge: Anreicherung – bekannter Vertreter = 1. Gattung Bacillus: – B. cereus (Lebensmittelschädling, Toxinproduzent); – B. anthracis (Milzbranderreger) – B. subtilis (ungefährliche Bak.) 2. Gattung Clostridien: Gram Positiv – C. botulinum = relaxierend (Botulismus) – C. tetani = führt zur Dauerkontration (Tetanus)

spezialisierten Zellen: Konidien= Sporen der Gattung Streptomyceten   ⇒ Sporenformationen zur Verbreitung

spezialisierten Zellen: Heterocystenbei Anabaena (Cyanobakterien), tretten Heterocysten mit regelmäßig auf. in denen das Photosystem ausgeschaltet ist (welches lichtabhängig ist) ⇒ Anaerobe Bedingung ⇒ Stickstoffeinlagerung: – Stickstofffixierung: O2 hemmt die N2-Fixierung (Enzym: Nitrogenase) ⇒ erfolgt deshalb eine räumliche Trennung von N2-Fixierung & Photosynthese!