Literatur zur Geschichte der Molekularbiologie!! - Horace Freeland Judson: 'The eighth day of creation'!! - James Watson: ' The double helix'!

Transkript

1 Literatur zur Geschichte der Molekularbiologie - Horace Freeland Judson: 'The eighth day of creation' - James Watson: ' The double helix' - Brenda Maddox: 'Rosalind Franklin - the dark lady of DNA' (Biographie von Rosalind Franklin) - Evelyn Fox Keller: 'A feeling for the organism' (Biographie von Barbara McClintock) - Max Perutz: 'I wish I'd made you angry earlier'

2 Welt der Mikrobiologie

3 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie

4 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Vergrösserung Auflösung: Lichtmikroskop 0,2 µm sichtbares Licht zur Erkennung von Zellstrukturen Hellfeld, Phasenkontrast, Dunkelfeld, Fluoreszens Hellfeld: Kontrast zwischen Zellen & Medium macht die Proben sichtbar viele Bakterien schlecht zu sehen gut bei pigmentierten Zellen

5 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Hellfeldmikroskopie pigmentierter Zellen: Grünalge Purpurbakterium

6 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Gesamt-Vergrösserung = Vergrösserung der Objektiv- x Vergrösserung der Okularlinsen bei Lichtmikroskop max. 1500x max. Auflösung = 0,2 µm d.h. zwei Objekte, die näher beeinander liegen, sind nicht als getrennte Strukturen sichtbar

7 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Hellfeld: Kontrastvergrösserung durch Färben einfache Färbung: basische Farbstoffe (Methylenblau, Kristallviolett, Safranin) binden an negativ geladene Zellstrukturen differenzielle Färbung: Gramfärbung (Praktikum) Unterschiede in der Zellwandstruktur führen zu unter- schiedlicher Farbstoffeinlagerung

8 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie differenzielle Färbung: Gramfärbung (Praktikum) Unterschiede in der Zellwandstruktur führen zu unter- schiedlicher Farbstoffeinlagerung blau = gram + Staphylococcus aureus rosa = gram - Escherichia coli

9 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Phasenkontrastmikroskop: verstärkt Kontraste, gut für Lebendpräparate Hellfeld Phasenkontrast S. cerevisiae

10 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Phasenkontrastmikroskop: Zellen verringern Geschwindigkeit, mit denen das Licht durch sie fliesst, d.h. anderer Brechungsindex als Umgebung wird erhöht durch Ring in der Objektivlinse: dunkles Bild vor hellem Hintergrund entwickelt von Frits Zernike Nobelpreis für Physik 1953

11 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Dunkelfeld: nur vom Objekt gestreutes Licht erreicht die Linsen: helles Bild vor dunklem Hintergrund Dunkelfeld

12 Mikroskopie & Zellmorphologie 1. Lichtmikroskopie Fluoreszenzmikroskopie: Zellen emittieren Licht einer bestimmten Farbe, wenn Licht einer anderen Farbe auf sie scheint entweder durch natürliche fluoreszierende Substanzen in den Zellen oder durch Färbung mit Fluoreszenz-Farbstoffen Cyanobakterien: Cyanobakterien: E. coli Hellfeld Fluoreszenz DAPI

13 Mikroskopie & Zellmorphologie 2. Elektronenmikroskopie benutzt Elektronen statt Photonen Elektromagneten statt Linsen Auflösung 0,2 nm Elektronen dringen schlecht in Zellen ein: Dünnschnitte (20-60 nm) Färbung mit Kontrastmitteln, die Elektronen streuen

14 Mikroskopie & Zellmorphologie 2. Elektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahme von Bacillus subtilis

15 Mikroskopie & Zellmorphologie 2. Elektronenmikroskopie Rasterelektronenmikroskop: keine Schnitte, nur Oberfläche der Zellen ist sichtbar Rhodovibrio sodomensis

16 Zellstruktur:Prokaryoten Bakterien, Archaea

17 Zellstruktur:Eukaryoten Algen Pilze Protozoen

18 Bakterien, Archaea Algen, Pilze, Protozoen

19 Zellen durchs Elektronenmikroskop 3µm 4µm 1µm Heliobacterium modesticaldum 0.5µm Methanopyrus kandleri 8µm Saccharomyces cerevisiae

20 Viren Rhabdovirus, Eukaryontenvirus (ssrna, Tollwut) E. coli phage Lambda (ds DNA) Kopf: 65 nm Durchmesser

21 Viren kein eigener Metabolismus keine Ribosomen Vermehrung nur durch Infektion << als Eu- und Prokaryoten

22 Größenvergleich

23 Gene, Genome & Proteine E. coli: 4.7 kb Genom, 1 Chromosom, 4300 Gene 1900 Proteine, 2.4 x 10 6 Proteinmoleküle Expression einzelner Proteine sehr unterschiedlich H. sapiens: etwa 4700 kb Genom, etwa Gene

24 Phylogenie beschreibt evolutionäre Verwandtschaft zwischen Organismen früher: morphologisch + metabolisch heute: molekular durch Vergleich von rrna

25 Phylogenetischer Stammbaum: die drei Domänen des Lebens

26 Mikrobielles Leben Überblick

27 Mikrobielle Diversität Zellgrösse, Morphologie, Physiologie, Beweglichkeit, etc. Diversität erlaubt Besiedlung auch extremster Habitate auch heute noch Entdeckung neuer Arten

28 Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung

29 Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung Chemoorganotrophe: oxidieren organische Verbindungen; speichern Elektronen als ATP aerobe: brauchen Sauerstoff anaerobe: brauchen Abwesenheit von Sauerstoff die meisten kultivierten Mikroben sind chemoorganotroph

30 Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung Chemolitotrophe: oxidieren anorganische Verbindungen; speichern Elektronen als ATP nur Prokaryoten nutzen Abfallprodukte der Chemoorganotrophen

31 Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung Phototrophe: enthalten Pigmente, die Licht als Energiequelle zulassen (d.h. farbige Zellen) bei Prokaryoten zwei Formen: oxygene Photosynthese: setzt Sauerstoff frei (z.b. Cyanobakterien) anoxygene Photosynthese: keine Sauerstoffbildung (z.b. Purpurbakterien)

32 Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung Heterotrophe: brauchen externe Kohlenstoffquellen (alle Chemoorganotrophen) Autotrophe: nutzen CO 2 als Kohlenstoffquelle (viele Chemolitotrophe, fast alle Phototrophen) = Primärproduzenten, weil sie organische Substanz aus CO 2 gewinnen

33 Mikrobielle Diversität: Habitate Sterilität ist in der Natur selten Mikroben überall, wo es Leben gibt, auch in von Menschen geschaffenen Strukturen Extremophile: stecken die Grenzen des Lebens ab

34 Mikrobielle Diversität: Habitate Sterilität ist in der Natur selten Mikroben überall, wo es Leben gibt, auch in von Menschen geschaffenen Strukturen Extremophile: stecken die Grenzen des Lebens ab

35 Diversität der Prokaryonten: Bakterien

36 Diversität der Prokaryonten: Bakterien Proteobakterien: viele Chemoorganotrophe, z.b. E.coli auch Phototrophe & chemolithotrophe Phototrophic purple sulfur bacterium Chromatium, Microbial community. The chemolithotrophic sulfur-oxidizing Bacterium Achromatium (H2S zu S zu SO4-)

37 Diversität der Prokaryonten: Bakterien Proteobakterien: grampositive: gemeinsame Phylogenie & Zellwandstruktur z.b. Bacillus, Clostridium, Streptomyces, Streptococcus, Lactobacillus Mycoplasmen: keine Zellwand, oft pathogen Bacillus with endospores Streptococci

38 Diversität der Prokaryonten: Bakterien Proteobakterien: grampositive: gemeinsame Phylogenie & Zellwandstruktur z.b. Bacillus, Clostridium, Streptomyces, Streptococcus, Lactobacillus Mycoplasmen: keine Zellwand, oft pathogen verwandte: Cyanobakterien, oxygene Phototrophe verantwortlich für O 2 -Bildung auf der Erde

39 Filamentous cyanobacteria Oscillatoria Spirulina

40 Morphologische Diversität der Bakterien Gestieltes Bacterium Planctomyces Shown are several cells attached by their stalks to form a rosette.

41 Morphologische Diversität der Bakterien Spirochäten Spirochetes are wide-spread in nature and some cause disease such as Syphilis & Borreliosis

42 Diversität der Prokaryonten: Bakterien

43 Diversität der Prokaryonten: Bakterien Phototrophe grüne Bakterien Chlorobium (Schwefelbakterium) Chloroflexus (Nichtschwefelbakterium) heisse Quellen, oft in Matten ähnliche Pigmente, beide Linien autotroph

44 Diversität der Prokaryonten: Bakterien Chlamydien & Deinococcus Chlamydia: obligat intrazellulär, verursacht Atemwegs- und Geschlechtskrankheiten Deinococcus: besondere Zellwand, strahlungsresistent

45 Diversität der Prokaryonten: Bakterien

46 Diversität der Bakterien: Extremophile Thermotoga & Aquifex: Aquifex is a early branching species of Bacteria. It is a hyperthermophile, growing optimally above 80 C. frühes Abzweigen der Linie: frühe Erde heisser als heute

47 Diversität der Prokaryonten: Archaea Hyperthermophile thermoacidophile Methanogene Halophile Thermoacidophile

48 Pyrolobus, the most hyperthermophilic archaeon Grows optimally above the boiling point of water

49 Diversität der Prokaryonten: Archaea alle Archaea sind chemotroph (obwohl Halobacterium auch mit Licht ATP bilden kann) viele chemolithotroph, v.a. extremophile Euryarchaeota: Methanogene - streng anaerob, Energiegewinnung durch Bildung von Methan Halophile - benötigen Sauerstoff & Salz

50 Extreme halophilic Archaea The tube contains cells of Halobacterium in a highly concentrated NaCl solution

51 Diversität der Prokaryonten: Archaea alle Archaea sind chemotroph (obwohl Halobacterium auch mit Licht ATP bilden kann) viele chemolithotroph, v.a. extremophile Euryarchaeota: Methanogene - streng anaerob, Energiegewinnung durch Bildung von Methan Halophile - benötigen Sauerstoff & Salz; enthält Pigmente zur ATP-Gewinnung aus Licht (kein Chlorophyll) z.t. alkalophil Thermoacidophile - keine Zellwand, hohe T & niedriger ph

52 Thermoplasma, a cell wall-less extremely acidophilic archaeon

53 Phylogenetische Analyse mikrobieller Gemeinschaften rrna Analyse von Material aus natürlichen Proben (Boden, Wasser, etc.) & einordnen in Stammbaum = molekulare mikrobielle Ökologie die meisten Mikroorganismen sind bisher nicht kultiviert worden Genom-Analyse zum Verständnis ihres Metabolismus?

54 Mikrobielle Diversität: Eukaryonten

55 Mikrobielle Diversität: Eukaryonten mikrobielle Eukaryonten = Protista Phototrophe, z.b. Algen

56 Microbial Eukarya Fungi, Ascomycete with conidiophores and -spores Algae, Volvox with chloroplasts Protozoae, Paramecium with cilia

57 Mikrobielle Diversität: Eukaryonten mikrobielle Eukaryonten = Protista Phototrophe, z.b. Algen Chemotrophe, z.b. Pilze (einzellig oder filamentös) Algen & Pilze haben Zellwände, im Gegensatz zu Protozoen & Schleimpilzen

58 Mikrobielle Diversität: Eukaryonten Protozoen

59 Mikrobielle Diversität: Eukaryonten Flechten: Mutualismus Pilz + Alge/Cyanobakterium Anker/Schutz + Primärproduzent Symbiotic community between fungi and algae, cyanobacteria. The color of the lichen comes from the pigments of the phototroph