Wie alt sind Bakterien und warum ist das wichtig? PD Dr. Dr. Adrian Egli

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1 Wie alt sind Bakterien und warum ist das wichtig? PD Dr. Dr. Adrian Egli MIKROBEN UNTER UNS

2 Wie lange gibt es schon Bakterien? A: Seit es Antibiotika gibt, also zirka 120 Jahre B: Seit es den Menschen (Homo sapiens) gibt, also gut Jahre C: Seit die Dinosaurier verschwunden sind, also gut 65 Millionen Jahre D: Seit >1 Milliarden Jahren

3 Die Evolution des Lebens 3 Milliarden Jahre Evolution - Massive Vielfalt 1,2 - >54000 Spezies 3 - Bacteria - Archaea - Eukaryota Mikroben unter uns 1 Hug, Baker et al. Nature Microbiology DeLong et Pace Syst Biol 50(4): , Integrated microbial genomes and microbiome samples:

4 Die Evolution des Lebens 3 Milliarden Jahre Evolution - Massive Vielfalt 1,2 - >54000 Spezies 3 - Bacteria - Archaea - Eukaryota e.g. E. coli Mikroben unter uns Mensch 1 Hug, Baker et al. Nature Microbiology DeLong et Pace Syst Biol 50(4): , Integrated microbial genomes and microbiome samples:

5 Alle Lebewesen bestehen aus Zellen Lat. cellula, kleine Kammer Die Zelle ist die kleinste funktionelle Einheit des Lebens In der Zelle passiert alles was mit dem Leben zu tun hat: Stoffwechselreaktionen Produktion von Eiweissen und Botenstoffen

6 Alle Lebewesen bestehen aus Zellen Lat. cellula, kleine Kammer Die Zelle ist die kleinste funktionelle Einheit des Lebens In der Zelle passiert alles was mit dem Leben zu tun hat: Stoffwechselreaktionen Produktion von Eiweissen und Botenstoffen Im Menschen: Viele hundert verschiedene Zelltypen mit gleicher Erbgutinformation (Genom) -> Mehrzelliger Organismus. Bei Bakterien: Mehrere Millionen verschiedene Bakterienarten mit unterschiedlicher Erbgutinformation 1,2 -> Einzelliger Organismus. 1 Amann R et Rossello-Mora R, mbio 2016; 2 Locey KJ et al. PNAS 2016

7 Die Zellen von Bakterien sind anders Zellwand Kapsel DNA Plasmamembran Mesosom Ribosomen Zytoplasma Flagellum (Geissel) Bakterielle Zelle (1!m) Prokaryoten = ohne Zellkern

8 Die Zellen von Bakterien sind anders Zellmembran Zellwand Kapsel Mesosom Ribosomen Zytoplasma Flagellum (Geissel) Mitochondrium Zellkern mit DNA DNA Plasmamembran Vakuole Golgi Vesikel Ribosomen Endoplasm. Reticulum Zellwand Bakterielle Zelle (1!m) Prokaryoten = ohne Zellkern Tierische Zelle (10!m) Eukaryoten = mit Zellkern Pflanzliche Zelle (10!m)

9 Mitochondrien Mitochondrien sind Kraftwerke der Zellen (Atmungskette) Haben eigenes (mitochondriales) Erbgut und Eiweissproduktion (Ribosomen) Ursprünglich sind dies Bakterien (Endosymbiontentheorie) Pro Körperzelle zirka 1000 bis 2000 Stück mit Volumenanteil von 25% Elektronen Mikroskopie Schematische Darstellung, 0.5-1!m gross

10 Bakterien vermehren sich sehr rasch Generationsraten Homo sapiens: 5 Generationen benötigen 80 bis 100 Jahren E. coli: 5 Generationen benötigen 100 bis 120 Minuten E. coli teilt sich alle 20 Minuten (exponentielle Vermehrung) 4 Phasen: - Verzögerungsphase (Lag) - Vermehrungsphase (Log) - Stationäre Phase - Todesphase (Decline)

11 Wo kommen Bakterien überall vor? A: Im menschlichen Darm B: Auf dem Salatbüffet von heute Mittag C: In Goldie dem Hamster ihrer Tochter D: An der Hand ihres Sitznachbars E: Auf dem Grund des Meeres F: Auf allen genannten Lokalisationen

12 Wo kommen Bakterien vor? Die Umwelt ist voll mit Bakterien: - Pro Gramm Erde: 50 Millionen Bakterien - Pro Milliliter frischem Wasser: 1 Million Bakterien Vulkane Global: 50 Mrd Tonnen Kohlenstoff 1 = 15% der Biomasse 1 Kallmeyer J et al. PNAS 2012

13 Wo kommen Bakterien vor? Interaktion mit/auf Pflanze - Schutz vor Schädlingen - Kolonisierungsresistenz - Hilfe bei der Metabolisierung Pflanzen Vorholt et al. Institute of Microbiology, ETHZ

14 Wo kommen Bakterien vor? Zoonose: Bakterielle Infektion von Tier auf Mensch Beispiele: - Chlamydia psittaci von Papagei - Brucella melitensis von Schaf Vogel Lebensmittel - Campylobacter sp. in Pouletfleisch - Salmonella sp. von Eiern Brittin J, 2009

15 Wo kommen Bakterien vor? Bakterien leben mit uns: Mikrobiom! z.b. pro Gramm Stuhl: zirka 10 Mrd Bakterien Mensch Yuping R et al. Modern EM in Physical and Life Science 2016 Vortrag: Das Mikrobiom ( ) - Prof. Urs Jenal - Prof. Richard Neher

16 Warum machen Bakterien krank? Jedes Bakterium kann krank machen Gleichgewicht mit dem Körper ist entscheidend: Unkontrollierte Vermehrung z.b. Immunschwäche Vermehrung an einer Stelle, welche normaler steril ist z.b. Gehirn oder Blut Krank sein ist eine Reaktion des Körpers (Immunsystem) auf ein Bakterium Manche Bakterien haben Abwehrstoffe gegen das Immunsystem z.b. Toxine, Adherenzfaktoren, verstecken -> Wenn Bakterien sich tarnen Prof. Dehio und Prof. Bumann

17 Ungleichgewicht führt zu Infektionen Beispiel der Lungenentzündung (Pneumonie) 17

18 Ungleichgewicht führt zu Infektionen Beispiel der Lungenentzündung (Pneumonie) Pneumonie / Lungenentzündung Normale Lunge 18

19 Was passiert im Körper? Pneumonie / Lungenentzündung Immunabwehr: Fresszellen (Makrophagen) EM Aufnahme

20 Was passiert im Körper? Pneumonie / Lungenentzündung Immunabwehr: Fresszellen (Makrophagen) EM Aufnahme Häufigsten Erreger einer Lungenentzündung: Streptococcus pneumoniae (Pneumokokken) Klebsiella pneumoniae Haemophilus influenzae Influenza Virus

21 Einteilung von Bakterien Bakterien lassen sich mit unterschiedlichen Methoden einteilen Taxonomie -> Hierarchische Gruppierung von Arten Einteilung erlaubt uns die Evolution besser zu verstehen z.b. Verwandtschaft In der Praxis Basierend auf dem Verhalten in der Gramfärbung Hans Christian Gram ( ) Mikroskop: Gram Färbeverhalten und Form Hans Christian Gram

22 Gram positive und Gram negative Bakterien Gram positive Bakterien Gram negative Bakterien

23 Gram positive und Gram negative Bakterien Gram positive Bakterien Gram negative Bakterien

24 Gram positive und Gram negative Bakterien Gram positive Bakterien Gram negative Bakterien Die Gram Färbung erlaubt die Unterscheidung: Positive (blau) Negative (rosa) Farbstoff färbt Zellwand unterschiedlich an

25 Beispiele: Gram positive und negative Bakterien Staphylococcus aureus Enterococcus faecium Streptococcus pneumoniae Listeria monocytogenes Cutibacterium acnes und viele mehr Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa Salmonella sp. Neisseria gonorrhoae und viele mehr

26 Wie weisen wir Bakterien nach? Direkt Nachweis z.b. Mikroskopie einer Probe mit Gram Färbung Kulturelle Methoden Anzucht auf Nährböden (Agarplatten) Nachweis von spezifischen Eigenschaften z.b. Biochemische Reaktion, Massenprofil, Bestimmung von Antibiotikaresistenzen Molekulardiagnostische Methoden z.b. PCR Keine Anzucht nötig Untersuchung direkt aus der Patientenprobe.

27 Kultur von Bakterien (gram negativ) 5% Schafsblut Agar: Klebsiella pneumoniae Chrom Agar: Klebsiella pneumoniae

28 Kultur von Bakterien (gram positiv) 5% Schafsblut Agar: Staphylococcus aureus Beta-Hämolyse von Staphylococcus aureus

29 MALDI-TOF Massenspektrometrie Jedes Massenprofil ist hoch spezifisch für eine einzelne Spezies Agarplatte mit Bakterien Übertragung von einer Kolonie MALDI-TOF Massenspektrometer

30 MALDI-TOF Massenspektrometrie Laserstrahl verdampft die Bakterien Flugzeit korreliert mit der Masse

31 Genauere Bestimmung der Bakterienart mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie K. oxytoca Gruppe Beispiel: Gruppe der Klebsiella Bakterien Seit 2004 wurden 6 neue Klebsiella Arten entdeckt Mit herkömmlichen Methoden können diese engverwandten Arten nicht unterschieden werden 1. 1 Cuénod A et al. unpublizierte Daten K. pneumoniae Gruppe Kerngenombaum basierend auf 1179 Genen von 999 Klebsiella spp.ggenomen

32 Mycobacterium basiliense sp. nov. Neue Bakterienart 5 Patienten aus der Region Basel In Material aus der Lunge 4 von 5 Patienten mit vorgeschädigter Lunge Vermehrung in Makrophagen (96h) Benannt in Ehren der Stadt Basel Genkarte von M. basiliense

33 Wie entdeckt man neue Bakterien? Gängige Identifikationsmethoden versagen und erlauben keine Bestimmung MALDI-TOF Massenspektrometrie Biochemische Reaktionsprofile Aufschlüsselung der gesamten Erbgut Information (Sequenzierung) Vergleich mit grossen Internationalen Datenbanken z.b. NCBI

34 Was sind die nächsten Verwandten? Gleiche Spezies: >96% Ähnlichkeit auf Erbgut (Genom) Mycobacterium basiliense Nächsten Verwandten sind: - M. marinum - M. ulcerans

35 Zusammenfassung Bakterien sind >1 Milliarden Jahre alt unglaublich flexibel durch eine hohe Generationsrate anders als die Zellen von Tieren und Pflanzen dadurch haben sie unterschiedlichste Lebensräume besiedelt mit der Gram Färbung in zwei grosse Gruppen unterteilbar Mit neuartigen Methoden (Massenspektrometrie und Gennachweis) können Bakterien rasch und zuverlässig identifiziert werden

36 Take home message Mikroben sind wahrlich unter uns! Bakterien sind ein Bestandteil der Umwelt und des Menschen Wir haben sogar Bakterien in unseren Zellen (Mitochondrien) Neue Bakterien gibt es auch in Basel (Mycobacterium basiliense)

37 DANKE für Ihre Aufmerksamkeit Gibt es Fragen? Kontakt: PD Dr. Dr. Adrian Egli, Klinische Mikrobiologie, Universitätsspital Basel Bald erfahren Sie mehr über die spannende Welt der Viren!

38 Jeden Dienstag bis zum 12. Februar 2019 Nun Apéro und weitere Diskussionen im Foyer!