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 Seite 1

2 Vielfalt und Taxonomie von prokaryotischen Mikroorganismen Klassische (konventionelle) Taxonomie beruht auf den phenotypischen Charakteristiken der Mikroorganismen: 1. Morphologie 2. Motilität 3. Stoffwechsel 4. Physiologie Seite 2

3 Zellmorphologie Seite 3

4 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Zellwandstruktur Gramfärbung Kristallviolett/EtOH Fluoreszenzfarbstoff Seite 4

5 Oberflächenstrukturen Flagellen (Geißeln) Fimbrien / Pili Peritrichous Polar Lophotrichous Seite 5

6 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Koloniemorphologie und Sporenbildung Koloniemorphologie Sporenbildung/Fruchtkörper Myxosporen im Fruchtkörper Sporophoren Endosporen Seite 6

7 Lebenszyklus von Myxococcus xantus Seite 7

8 Zelleinschlüsse und weitere Strukturen PHB-Granula Magnetosomen Schwefelkügelchen Gasvesikel Interne Membranen Seite 8

9 Schwimmen Motilität Gleiten Schwärmen Seite 9

10 Energiequellen Atmung Photosynthese Licht Anorganische Verbindungen Organische Verbindungen -> Phototroph -> Chemolithotroph -> Chemoorganotroph Seite 10

11 Phototrophie Photosynthese -> anoxygen oder oxygen Purpurbakterien Cyanobakterien Seite 11

12 Chemoorganotrophie Gärung Aerobe Atmung Anaerobe Atmung Seite 12

13 Quellen von Kohlenstoff und anderen Stoffen Kohlenstoffquellen: Autotroph -> kann CO 2 als einzige Kohlenstoffquelle benützen Viele Phototrophe und Chemolithotrophe sind autotroph Heterotroph -> braucht organische Stoffe als Kohlenstoffquelle Alle Chemoorganotrophe sind heterotroph Quellen anderer Stoffe: Welche Verbindungen von Schwefel, Eisen, Stickstoff werden benützt Stickstofffixierung: Fixierung vom gasförmigen Stickstoff (N 2 ) Seite 13

14 Physiologie: Optimale Wachstumsbedingungen Sauerstoff: aerob; anaerob; fakultativ aerob; mikroaerophil aerob anaerob fakultativ aerob mikroaerofil anaerob (aerotolerant) Seite 14

15 Physiologie: Optimale Wachstumsbedingungen Temperatur: psychrophil; mesophil; (hyper)thermophil Extremophile (Archaea)

16 Effekte der Temperatur auf Wachstum

17 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Adaptation zu niedrigen und hohen Temperaturen Psychrophile Proteine: weniger stabil Membrane: flüssiger Thermophile Proteine: stabiler Membrane: weniger flüssig; Lipideinzelschicht (Archaea)

18 Physiologie: Optimale Wachstumsbedingungen ph: azidophil (bis 0); alkaliphil (bis 12) Luftdruck: barophil (bis 1000 Atm) Salz: halophil (bis 32% NaCl)

19 Probleme der konventionellen Taxonomie Morphologie und Physiologie korrelieren nur bedingt mit der evolutionären Verwandtschaft Eng verwandte Purpurbakterien Viele Prokaryoten sind nicht kultivierbar Seite 19

20 Moderne Systematik: Phylogenie Analyse der evolutionären Verwandtschaft durch Sequenzvergleich 16S/18S rrna für globale Analysen; anderer schneller evolvierenden Gene für lokale Analysen 16S/18S rrna Annahme: je ähnlicher (identischer) die Sequenzen, desto enger verwandt sind die Spezies Phylogenetische (Stamm)bäume Durch die Annahme einer konstanten Evolutionsrate von einem Gen können die phylogenetische Abstände (Sequenzdifferenzen) in Zeit umgerechnet werden Phylogenie = evolutionäre Stammesgeschichte Seite 20

21 Universaler Stammbaum 16S/18S rrna Analyse führt zu einem universalem Stammbaum Erst durch solche phylogenetische Analyse wurden Archaea als eine separate Domäne erkannt Seite 21

22 Definition der Arten (Spezies) in der Mikrobiologie Klassische Definition der Arten (reproduktive Isolation) kann auf Prokaryoten nicht angewandt werden (keine sexuelle Reproduktion) Definition einer Art bei Prokaryoten: eine Gruppe von Stämmen mit großer Ähnlichkeit Früher -> aufgrund der phenotypischen Merkmale Modern -> Ähnlichkeit der 16S rrna Sequenz: Taxonomische Hierarchie für Prokaryoten: >97% -> eine Art <97% -> zwei Arten Domäne (Reich) Phylum Klasse Ordnung Familie Gattung Art Bacteria Proteobacteria γ-proteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia coli Seite 22

23 Wichtigste Phyla von Bakterien Thermophile Anoxygen phototrophe Oxygen phototrophe Insgesamt ca. 80 Phyla erkannt (viele aber nicht kultivierbar) Seite 23

24 Wichtigste Phyla von Archaea Seite 24

25 Gemeinschaften von Mikroorganismen Konventionelle Analyse setzt Kultivierbarkeit voraus -> Reinkultur Reinkultur: auf der Platte in der Flüssigmedium Viele Mikroorganismen leben in Gemeinschaften; Mikroorganismen hängen oft metabolisch von einander ab (Syntrophie) Nanoarchaeum (rot) und Ignicoccus (grün) Gemeinschaft im Klärschlamm -> nur einige Prokaryoten können kultiviert werden Seite 25

26 Analyse von Gemeinschaften 1. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH): Hybridisierung mit Fluoreszenzsonden gegen 16S rrna Metagenomics 2. Sequenzierung aller 16S rrna Gene 3. Sequenzierung aller Genome -> Metagenomics Ergebniss: -phylogenetische Analyse aller Arten in der Gemeinschaft -Häufigkeit der Arten -Analyse von Stoffwechsel und transport in der Gemeinschaf -Identifizierung neuer Arten und neuer Gene Seite 26

27 Wachstum auf den Oberflächen: Biofilme Die meisten Bakterien wachsen natürlich auf den Oberflächen Biofilm Biofilme können aus einer oder mehreren Arten bestehen Bakterien in Biofilmen sind resistenter gegen Schadstoffen (z.b., Antibiotika oder Schwermetalle) Biofilme stellen ein großes Problem in der Medizin und Industrie dar Seite 27

28 Biofilmbildung Adhäsion Kolonisation Entwicklung Kolonisationsstadium Biofilm von Pseudomonas aeruginosa Entwicklungsstadium Seite 28

29 Zell-Zell Kommunikation: Quorum sensing Viele Bakterien können miteinander kommunizieren Einfachste Form ist Quorum sensing -> Messung eigener Zelldichte Kontrolle der Liminiszenz bei Vibrio fisheri Weitere Signale werden zwischen verschiedenen Bakterienarten ausgetauscht Seite 29

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