MiBi&Hygiene (Fach) / Definitionen und andere (Lektion)

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• Definition von Mikrobiellem Wachstum - Wachstum ist de irreversible Zunahme der lebenden Substanz - Energiegewinnung - Aufbau von Zellmaterial - Ansprüche der MO unterschiedlich
• Bakterielle Wachstumskurve in statischer Kultur y-Achse: Logarithmus der Zellzahlx-Achse: Zeit (h) 1. Phase: „lag‐Phase“ (kein Zellwachstum) 2. Phase: „exponentielle =>Phase“ -> exponentielles Zellwachstum 3. Phase: „stationäre Phase“ (kein Zellwachstum) 4. Phase: „Absterbe‐Phase“ => Verringerung der Zellzahl
• Wachstumsgeschwindigkeit Änderung der Zellzahl oder der Zellmasse pro Zeiteinheit (ΔZZ/t)
• Generationszeit („Verdopplungszeit“) Zeit, die eine Zellpopulation benötigt, um sich zu verdoppeln
• Voraussetzungen für das Wachstum von MO -Nährstoffe Belebte Umgebung =>parasitär Unbelebte Umgebung =>saprophytär (MO, die auf toter organischer Substanz leben) -Energie -Wachstumsbedigungen
• Ernährung von MO Elementare Ansprüche:‐im Wasser:C, O, H, N, S, P, K, Na, Ca, Mg, Fe‐Makroelemente =>Siderophore‐die Mikro‐ und Spurenelemente:Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, Va, B, Cl, Se, Si, Wo etc. Wachstum ist stark „milieuabhängig“
• Energieklassen von MO Mikroorganismen nützen verschiedene Energiequellen =>„troph“ (griech:„füttern“) Einteilung von Mikroorganismen nach ihren Nährstoffansprüchen: - Phototroph: nutzen Licht als Energiequelle (z.B. Cyanobakterien) - Chemotroph: nutzen die im Verlauf einer chemischen Reaktion, vorwiegend Redox‐Reaktion, freigesetzte Energie - Heterotroph: verwertet organische Kohlenstoffverbindungen (z.B. Fungi) - Autotroph: verwertet CO2 (z.B. Pseudomonas carboxidovorans) - Organotroph: verwendet organ. Elektronen‐Donor (z.B. E.coli etc.) - Litotroph: verwendet anorganischen Elektronen‐Donor (z.B. Desulfovibrio) - Prototroph: benötigen außer einer einzigen organischen Verbindung (Energie‐und Kohlenstoffquelle)keine weiteren organischen Verbindungen (z.B. Enterobacterien) - Auxotroph: müssen entsprechende Vorstufen für organische Substanzen aufnehmen (z.B. Milchsurebakterien) => Suppline, Wachstumsfaktoren‐ Vitamine‐ Aminosäuren‐ Purine/Pyrimidine
• Phototroph nutzen Licht als Energiequelle (z.B. Cyanobakterien)
• Chemotroph nutzen die im Verlauf einer chemischen Reaktion, vorwiegend Redox‐Reaktion, freigesetzte Energie.
• Heterotroph verwertet organische Kohlenstoffverbindungen (z.B. Fungi)
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• Autotroph verwertet CO2 (z.B. Pseudomonas carboxidovorans)
• Organotroph verwendet organischen Elektronen‐Donor (z.B. E.coli etc.)
• Litotroph verwendet anorganischen Elektronen‐Donor (z.B. Desulfovibrio)
• Prototroph benötigen außer einer einzigen organischen Verbindung (Energie‐ und Kohlenstoffquelle) keine weiteren organischen Verbindungen (z.B. Enterobacterien)
• Auxotroph müssen entsprechende Vorstufen für organische Substanzen aufnehmen (z.B.Milchsäurebakterien) =>Suppline, Wachstumsfaktoren Vitamine Aminosäuren Purine/Pyrimidine
• Bedeutung von Nährstoffkomponenten C organ. MoleküleO organ. Moleküle, Elektronenakzeptor aerober OrganismenH organ. Moleküle, Elektronendonor bei vielen ProkaryontenN Proteine, Nucleinsäuren, CoenzymeS Proteine, Coenzyme, Vitamine etc.P NucleinsäurenFe Cytochrome, Proteine, Enzyme, etc.Na ZellwandstabilisierungK Proteinbiosynthese (Enzyme)Mg Stabilisierung von Ribosomen, Nucleinsäuren, Enzymen
• Mikrobieller Stoffwechsel (METABOLISMUS) Enge Verflechtung von Stoffumwandlungen und Energietransformationen, besteht ausAbbau = KATABOLISMUSAufbau = ANABOLISMUS
• Atmung Katabole Reaktionsfolge, bei der anorganische Substanz zu CO2 und H2O abgebaut wird und freie Energie zur ATP‐Bildung genutzt wird.
• Glucoseabbau Fructose   1,6‐Bisphosphat‐Weg KDPG‐Weg   PP‐Zyklus              Oxidative Pyruvat‐Decarboxylierung                            Tricarbonsäure-Zyklus                                Atmungskette Fructose   ‐1,6‐Bisphosphat‐Weg KDPG‐Weg PP‐Zyklus Oxidative Pyruvat‐Decarboxylierung Tricarbonsäure  
• Anaerobe Atmung Vollständige Substratoxidation zu CO2 und H2O mit alternativen Elektronenakzeptoren (Nitrat, Sulfat) Beispiele:Nitratatmung : Pseudomonas, BacillusSulfatreduktion : Desulfovibrio
• Fructose‐1,6‐Bisphopshat‐Weg (Embden‐Meyerhof‐Parnas‐Weg) (z.B. Hefen, E.coli) ‐ Von vielen Eu‐ und Prokaryonten beschritten‐EMP‐Weg leitet oft Gärungsprozesse ein‐Start mit Phosphorylierung der Glucose‐Pyruvat als Intermediärprodukt -> carboxyliert zu AcetylCoA‐AcetylCoA in den Citratzyklus eingeschleust‐Bildung von CO2 und Oxalacetat (Acetylakzeptor)‐ Citratzyklus: bioenergetische und biosynthetische Funktion‐Gewinnung von ATP in der Atmungskette
• Funktion der Atmungskette - Umwandlung der freien Energie der Reduktionsäquivalente [H] in den Protonengradienten und das Membranpotenzial‐ Kaskadenartig ablaufende Redoxreaktionen, bei denen Energie „dosiert“ abgegeben wird Eukaryonten (in den Mitochondrien) Prokaryonten (in der Cytoplasmamembran)
• Gärung L.Pasteur: „Gärung ist Leben ohne Sauerstoff!"Gärungen sind der Energiebereitstellung dienende Prozesse, bei denen auf Grund des Mangels an anorganischen Elektronenakzeptoren, die während der Substratoxidation anfallenden Elektronen (Reduktionsäquivalente) auf organische Akzeptoren übertragen werden.
• Prinzip der alkoholischen Gärung (z.B. Saccharomyces cerevisiae) ‐ Start mit EMP‐ Weg‐ Pyruvat wird decarboxyliert‐ Acetaldehyd fungiert als Akzeptor für Reduktionsäquivalente‐ NADH dient als Wasserstoff‐ Carrier -Von insgesamt 4 ATP‐Molekülen dienen 2 der Glucoseaktivierung -> pro Molekül Glucose werden 2 ATP-Moleküle gewonnen => Pasteur‐Effekt
• Milchsäure-Gärung Milchsäurebakterien (nützen für die):PflanzenMilchSchleimhäute (Mensch, Tier) Verwertung von Glucose und Lactose spezifische Funktion der β‐Galactosidase Homo‐ und heterofermentative MS‐Gärung Konservierende Bedeutung der Milchsäure
• Andere Gärungen Propionsäuregärung => Propionibacterium, Veillonella Ameisensäuregärung (Gemischte Säuregärung, 2,3‐Butandiol‐Gärung) =>Enterobacteriaceae (E.coli, Salmonella, Erwinia etc.) Buttersäuregärung =>Clostridien, Eubacterium, Fusobacterium Essigsäure“gärung“ =>Ruminococcen, Essigsäurebakterien
• Temperaturoptimum Mindestens 4 Gruppen:‐ Psychrophile Organismen: Wachstumsoptimum < 20 °C (z.B. Bacillen, Flavobakterien)‐ Mesophile Ogranimsen: Wachstumsoptimum 20 – 40 °C(z.B. E. coli, Staphylococcen)‐ Thermophile Organismen: Wachstumsoptimum >40 °C(z.B. Geobacillus stearothermophilus, Thermus)‐ Psychrothrophe Organismen: Optimum wie mesophile, aber auch beiKühltemperaturen Wachstum möglich (z.B. Pseudomonaden, Bacillen) ‐ (Psychrotolerante‐ Thermotolerante‐ Hyperthermophile‐ Thermotrophe)
• Faktoren der Thermoresistenz ‐ Endosporen‐ Problematik Pasteurisation‐ Sterilisationsprozess notwendig‐ Bacillen, Clostridien
• pH-Optimum ‐ Acidophile Organismen (Sulfolobus, Thiobacillus, Schimmelpilze, Hefen)‐ Neutrophile Organismen (Alcaligenes, Pseudomonas etc.)‐ Alkaliphile Organismen (Bacillen, Nitrobacter)
• Wasseraktivität und osmotischer Stress Wasseraktivität: Maß für das „verfügbare“ Wasseraw-Wert= Wassergehalt im Dampfraum über dem Substrat/Wassergehalt im Dampfraum über reinem Wasser -Osmotische Verhältnisse-Osmotoleranz-Osmophile Keimeaw‐Wert << -> Haltbarkeit >> aW‐Wert = 1 -> Wachstum, darunter gehemmtes/kein Wachstum
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• Industrielle Mikrobiologie/Biokatalyse Herstellung von:‐ Zellen (z.B. Hefezellen)‐ Stoffe durch Umwandlung (z.B. Biologisch modifizierte Steroide)‐ Produkte aus Zellen: ƒ Enzymeƒ Antibiotica ƒ Lebensmittelzusatzstoffeƒ Alkoholƒ Chemikalien
• Unterschiede zwischen statischer und kontinuierlicher Kultur Statische Kultur:Typische Wachstumsphasen‐ Lag‐ Log‐ Stationäre Phase‐ Absterbe‐Phase Kontinuierliche Kultur:Kontinuierliche log‐Phase (in situ Sterilisation)‐ Permanente Nährstoffzufuhr‐ Automatischer Austrag von Zellmasse‐ pH konstant‐ Temperaturkonstanz‐ Gleichbleibende Zelldichte
• Industriell vorwiegend genutzte MO ‐ Pilze (Hefen und Schimmelpilze)‐ Prokaryonten (häufig Streptomyces) Zielsetzungen der industriell vorwiegend genutzte MO: Hohe Ausbeute Exakt definierte und hinterlegte Stämme
• Verwendung von Hefe und Hefeprodukten in der Industrie ‐ Bäckerhefe und Broterzeugung‐ Getrocknete Lebensmittelhefe als LM‐Zusatzstoff‐ Futterhefe‐ Hefeextrakt für Kulturmedien‐ Vitamine der B‐gruppe‐ Vitamin D‐ Enzyme für die LM‐Industrie (Invertase, Galactosidase)‐ Biochemikalien f.d. Forschung (ATP, NAD+, RNA)‐ Ethanol‐ Glycerin‐ Bier‐ Wein‐ Whiskey, Weinbrand, Wodka, Rum
• Anforderungen an einen industriell nutzbaren MO ‐ Produziert die gewünschte Substanz‐ Steht als Reinkultur zur Verfügung‐ Ist genetisch stabil‐ Ist lagerungsstabil‐ Soll möglichst einfach Beipmfung des Fermenters gestatten‐ Soll schnell wachsen‐ Soll die gewünschte Substanz in möglichst kurzer Zeit produzieren‐ Soll in preiswerten Kulturmedien Wachsen‐ Soll ggf. genetisch modifizierbar sein
• Woran erkennt man mikrobielles Wachstum? ‐ Trübung‐ Sedimentbildung‐ Gasbildung‐ Koloniebildung
• Wie kann man mikrobielles Wachstum messen? ‐ Zählkammer‐Präparat‐ Kulturelle Lebendkeimzahl‐ Trübungsmessung‐ Biomassebestimmung‐ Indirekte Erfassung über Stoffwechselprodukte
• Was macht die Biotechnologie? Die Biotechnologie nutzt die biologische Zelle und deren Inhaltsstoffe zur Entwicklung von Verfahren
• Nutzen der Biotechnologie - Verfahren für die Diagnose, Prävention und Therapie ansteckender oder genetisch bedingter Krankheiten‐ Erzeugung resistenter Pflanzen (gegen Insekten, Pilze, Viren, Stress, Dürre, Hitze etc.)‐ Nutzung von MO zur Produktion von Chemikalien, Polymeren, Aminosäuren,Enzymen, Nahrunsgmittelzusatzstoffen‐ Entwicklung von Tieren mit verbesserten Eigenschaften‐ Beseitigung von Schadstoffen aus Abfallmaterial aus der Umwelt
• Molekulare Mechanismen der Rekombination -> Gentransfer: - Konjugation (übertragen von genetischem Material durch Bildung einer Plasmabrücke) Mit Plasmiden Durch Chromosomenübertragung ‐ Transformation (Einbau von freier, löslicher DNA einer Spenderzelle in eine Empfängerzelle -> genetische Veränderungen) ‐ Transduktion (Übertragung von DNA mittels Phagen)
• Konjugation - Vorgang der Genübertragung über direkten Kontakt zwischen den Zellen („Paarung“)‐ Plasmid‐codierter Vorgang (z.B. F‐Plasmide)‐ Spender‐ oder Donorzelle überträgt Plasmide oder andere genetische Elemente auf Empfänger‐oder Rezeptorzelle =>Funktion der Pili‐ F-Plasmid kann auch Chromosom „mobilisieren“, dies führt zur Übertragung von chromosomaler DNA
• Was ist genetische Transformation? - Vorgang, bei dem freie DNA in einer Empfängerzelle aufgenommen und eingebaut wird- Zellen, die DNA aufnehmen können, sind „kompetent"‐ „Kompetenz“ durch Regulationssysteme gesteuert (Proteine, Zellwandlysine)‐ DNA entweder als Einzel‐ oder Doppelstrang aufgenommen‐ Sonderform der Transformation: Transfektion -> DNA stammt nicht aus einem anderen Bakterium, sondern aus einem Bakterienvirus
• Welche Arten von Transformation gibt es? Transformation: Natürliche:           -> nur bei wenigen Gattungen           -> selten           -> viel empirische Forschung (div. Einflussfaktoren, z.B. Ca-Ionen) durch Elektroporation:           -> Erzeugung von kleinen Poren durch pulsierende elektrische Feder           -> Ermöglicht sowhl DNA-Gewinnung als auch DNA-Übertragung           -> Weniger Aufwand
• Transduktion ‐ Vorgang, bei dem DNA mittels Viren (Phagen) von Zelle zu Zelle übertragen wird    ‐> Unspezifische Transduktion: virales Genom durch Wirtsgenom ersetzt    ‐> Spezifische Transduktion: Wirtsgenom‐DNA in virales Genom integriert, nur bei temperenten Phagen Nicht alle Phagen können transduzieren, nicht alle Bakterien sind transduzierbar! Trotzdem ist die Transduktion in der Natur ein weit verbreiteter Gentransfer
• Hygiene? Lehre von Gesunderhaltung des Menschen und seiner Umwelt
• Versch. Sub-kategorien von Hygiene UmwelthygineSozialhygienePsychohygieneAnlagenhygieneBetriebshygieneLebensmittelhygiene
• psychrophile Organismen (Temperaturoptimum....) kälteliebend< 20° C (min. -12°C)spezielle Lipid-/MembranstrukturBsp: Bacillen, Flavobakterien
• Psychrotrophe Organismen (Temperaturoptimum...) Optimum im mesophilen Bereich (20-40°C), aber auch bei Kühltemperaturen Wachstum möglich (psychrotolerant)Bsp: Pseudomonaden, Bacillen

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