Vorlesungsthemen Mikrobiologie

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1 Vorlesungsthemen Mikrobiologie 1. Einführung in die Mikrobiologie B. Bukau 2. Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau 3. Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau 4. Bakterielle Genetik und Evolution V. Sourjik 5. Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. Sourjik 6. Medizinische Mikrobiologie V. Sourjik 7. Gentechnik und industrielle Mikrobiologie V. Sourjik Zwei mögliche Schreibweisen: Prokaryoten und Prokaryonten Bilder: Brock Biology of Microorganisms, 12th Ed., 2009, Pearson Education, Inc Seite 1

2 Grundlagen der Molekulargenetik DNA (DNS) als Träger der Erbinformation Seite 2

3 Grundlagen der Molekulargenetik Gen: eine genetische Informationseinheit -> meistens kodiert ein Protein, manchmal ein funktionelles RNA-Molekül Transkribierte Sequenz DNA RNA Regulatorische Sequenz (Promoter) 5 UTR Kodierende Sequenz +1 (Transkriptionsstart) Terminator Transkription 5 3 AUG UGA Translation 3 UTR Protein N C Funktion Seite 3

4 Grundlagen der Molekulargenetik Genom: die Gesamtheit der Gene in einem Organismus -> ein oder mehrere Chromosomen und extrachromosomale DNA Elemente, die genetische Information der Zelle kodieren Seite 4

5 Genomstruktur von Bakterien, Archaea und Eukaryoten Bakterien Archaea Eukaryoten Chromosom 1, ringförmig 1, ringförmig >1, linear DNA- Kompaktierung Überspiralisierung (supercoiling) Histone +supercoiling Histone Plasmide Ja Ja selten DNA im Nukleoid DNA im Kern Seite 5

6 Genom von Darmbakterium Escherichia coli E. coli K-12 Chromosom ist Basenpaaren (Bp) lang und trägt Gene (andere E. coli Stämme haben längere Chromosomen und mehr Gene) Prokaryotische Gene sind dicht gepackt -> nur kurze regulatorische Sequenzen Seite 6

7 Genome von Prokaryoten Bakterien und Archaea haben ähnliche Genomgrößen: Beispiele: Bp Mycoplasma genitalium (Humanpathogen) Bp Bradyrhizobium japonicum (freilebendes, stickstofffixierendes Bakterium) Kleine Chromosomen tragen weniger Gene, ca. 1 Gen pro Bp Kodierende Sequenzen Genomgröße (x10 6 Bp) Ca. 300 Gene sind für das Leben notwendig (Minimalgenom): DNA-Replikation, Proteinproduktion, Energiegewinnung, Stoffwechsel Seite 7

8 Genome von eukaryotischen Mikroorganismen Eukaryotischen Mikroorganismen haben größere Genome: Beispiele: Bp (2.000 Gene) Enzephalitozoon cuniculi (Humanpathogen) Bp (5.800 Gene) Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) Bp ( Gene) Paramecium tetraaurelia (freilebendes Ciliat <Wimpertierchen>) S. cerevisiae P. tetraaurelia Gene von höheren Eukaryoten sind viel größer als bei Mikroben: Mensch (Homo sapiens) Bp ( Gene) -> mehr Regulation Seite 8

9 Genomplastizität bei Prokaryoten Prokaryotische Genome sind sehr dynamisch -> können sich schnell an die Umwelt anpassen 1. Kurze Generationszeiten 2. Hohe Mutationsraten 3. Mobile genetische Elemente 4. Extrachromosomale Elemente 5. Lateraler (horizontaler) Gentransfer Seite 9

10 Mutationen Punktmutationen können kodierte Proteinsequenz ändern Seite 10

11 Mutationen Häufigkeit der spontanen Punktmutationen (pro Bp): Mikroorganismen Höhere Organismen 10-8 Viren Mutationsraten hängen von Wachstumsbedingungen ab -> Evolution als aktiver Prozess 10 9 Bakterien/ml -> Mutationen Optimale Mutationsrate -> Gleichgewicht zwischen Genomerhaltung und Evolution Stress Stress Neues Genotyp Normales Wachstum Normales Wachstum Geringe Mutationsrate Hohe Mutationsrate Selektion Geringe Diversität Hohe Diversität Hohe Diversität Seite 11

12 Transposone: mobile genetische Elemente Transposone können im Genom springen (Replikative) Transposition Tn3 Insertionselemente sind minimale transponierbare Elemente Große Transposone tragen oft Resistenzgene Seite 12

13 Transposonbewegung kann zu Veränderungen im Genom führen Insertion Deletion / Inversion Duplikation Homologe Recombination Seite 13

14 Mechanismen vom genetischen Austausch DNA kann zwischen prokaryotischen Zellen übertragen werden: Transformation; Transduktion; Konjugation -> Lateraler (horizontaler) Gentransfer in prokaryotischen Gemeinschaften Seite 14

15 Transformation Aufnahme freier DNA aus der Umgebung Seite 15

16 Transduktion Übertragung der DNA zwischen Zellen durch Phagen (bakterielle Vieren) Seite 16

17 Bakteriophagen Bestehen aus DNA oder RNA und Proteinen Replizieren nur innerhalb der Wirtszelle Seite 17

18 Plasmide: extrachromosomale Elemente Ringförmige selbstreplizierende DNA Elemente Plasmide tragen Gene für: Resistenz gegen Antibiotika und Schwermetalle Virulenz nicht-essentielle methabolische Funktionen (z.b. Herbizidabbau) -> bringen Vorteil für die Wirtszelle breiten sich oft durch die Konjugation aus Plasmid R100 Seite 18

19 Konjugation Übertragung der Plasmid-DNA zwischen Zellen ( sexueller Austausch) Seite 19

20 Evolution: Entstehung neuer Gene Wie entsteht ein Protein mit neuen Eigenschaften? Mutation Gen mit verbesserten Eigenschaften Selektion Rekombination Rekombinante Gene Mutation/ Selektion Duplikation Redundante Gene Mutation/ Selektion Lateraler Gentransfer Zusätzliche Gene Mutation/ Selektion Selektion auf Fitness: besseres Wachstum und Überleben unter bestimmten Bedingungen Seite 20

21 Evolution: Komplexität und Degeneration Eigenschaften können nicht nur akquiriert sondern auch verloren werden Evolution neue Gene Eigenschaft ist vorteilhaft Erhöhter Komplexität Eigenschaft ist nicht vorteilhaft Degeneration Seite 21

22 Evolution: Ursprunge des Lebens Das Leben entstand vermutlich um die heißen Quellen am Meeresboden Fig Seite 22

23 Entwicklung der Photosynthese und Entstehung der Eukaryoten Eukaryotische Zelle entstand als ein Produkt der Endosymbiose zwischen Archaea (Wirtszelle) und Bakterium (Symbiont) Seite 23

24 Endosymbiotischer Ursprung der eukaryotischen Zelle Eukaryotische Zellen weisen Merkmale von Archaea und Bakterien auf: Archaea: Bacteria: Peptidoglykan in der Zellwand nicht vorhanden Terpene als lipophile Membranbausteine Mehrere Typen von RNA Polymerase vorhanden Methionin als Startaminosäure Introns in Genen z.t vorhanden Best. Antibiotika unwirksam Histone vorhanden Extremophil Peptidoglykan in der Zellwand vorhanden Fettsäuren als lipophile Membranbausteine Nur ein Typ von RNA Polymerase vorhanden Formylmethionin als Startaminosäure Introns in Genen nicht vorhanden Alle Antibiotika wirksam Histone nicht vorhanden Extremophile gibt es weniger Eukaryotische Transkription und Translation -> ähnlicher zu Archaea Membranen und Stoffwechsel -> ähnlicher zu Bakterien Viele bakterielle Gene wurden ins eukaryotische Genom übertragen Seite 24

25 Mitochondrien und Chloroplasten haben eigene Genome Chloroplasten-Genom Mitochondrien-Genom ca Bp bzw. ca. 100 Gene: 70 für Proteine (überwiegend für die Photosynthese) 30 für trnas, 1 für rrna Sehr gattung-spezifisch In Säugertieren ca Bp bzw. ca. 35 Gene: 13 für Proteine (überwiegend für die Atmung) 22 für trna, 2 für rrna Seite 25

26 Photosynthese wurde von Eukaryoten mehrmals akquiriert Primäre und sekundäre Endosymbiose Seite 26

27 Entstehung von Chloroplasten durch primäre und sekundäre Endosymbiose Seite 27