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 Kontrolle des mikrobiellen Wachstums Physikalische Kontrolle: 1. Hitzesterilisation 2. Sterilisation durch Bestrahlung 3. Filtersterilisation Chemische Kontrolle: 1. Antimikrobielle Wirkstoffe allgemein 2. Antibiotika Resistenzentwicklung und neue Antibiotika Seite 2

3 Hitzesterilisation und Pasteurisierung Pasteurisierung: kurze Hitzebehandlung, z.b. 15 sec, 71 C Bei Pasteurisierung werden nicht all Mikroorganismen abgetötet; hilft nicht gegen Endosporen Autoklavieren: 20 min, 121 C, Dampf Autoklavieren wirkt auch gegen Endosporen Seite 3

4 Sterilisation durch Bestrahlung Sterilisation durch die UV-Strahlung -> Dekontamination von Laborwerkbänken Sterilisation durch die ionisierende (Röntgen etc) Strahlung -> Medizin (Implantate, Geräte, Einwegmaterialien, Medikamenten) -> Lebensmittel Seite 4

5 Filtersterilisation Filtration von Flüssigkeiten durch die Membran mit kleinen Poren (0,4-0,2 µm) Leptospira Bakterien auf der Membran Seite 5

6 Antimikrobielle Agenzien Hemmung von Wachstum -> bakteriostatisch (bzw. fungistatisch oder viristatisch) Abtötung -> bakterizid (bzw. fungizid oder virizid); auch bakteriolytisch Bakteriostatisch Bakterizid Bakteriolytisch Oberflächenanwendung: Antiseptika Desinfektionsmittel Alkohol (60-85%) Phenol H 2 O 2 Chlorgas; Formaldehyd Seite 6

7 Wirkung der chemotherapeutischen Stoffen Antimikrobielle chemotherapeutische Agenzien: synthetische Wirkstoffe und Antibiotika Seite 7

8 Antibiotika Antibiotika werden von bestimmten Mikroorganismen (z.b. Pilzen oder Streptomyces) produziert und töten andere Mikroorganismen ab Streptomyces auf der Platte mit anderen Bakterien Seite 8

9 Resistenz gegen antimikrobielle Medikamente Resistenzmechanismen: Antibiotika wirken nicht (z.b. keine Zellwand) Antibiotika gelangen nicht in die Zelle Zielmolekül ist mutiert Resistenzausbreitung Antibiotika werden inaktiviert Antibiotika werden ausgepumpt Resistenzgene (oft kodiert von Plasmiden) Seite 9

10 Entwicklung von neuern antimikrobiellen Medikamenten Neue Analoga bereits existierender Medikamenten -> chemische Modifikationen (gezielt oder kombinatorisch) 10 6 Kandidaten 1 neues Medikament Suche in der Natur -> Screens von Millionen Naturextrakten auf antimikrobielle Wirkung Chemische Bibliotheken -> Screens von Milliarden synthetischer Stoffen Computergestützte Entwicklung -> Vorhersagen der spezifischen Inhibitoren Seite 10

11 Phagen und andere Bakterien als antibakterielle Angenzien Phagentherapie wird bereits angewendet Bakterientherapie: Lebenszyklus von Bdellovibrio bacteriovorus Seite 11

12 Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und höheren Organismen Normale Flora: Haut, Mund, Magen-Darm-Trakt, Atmungswege, Genitalien Abstrich der Zunge Seite 12

13 Normale Flora im Magen-Darm-Trakt Nützliche Funktionen: Vitaminsynthese (B12, K); Steroidaktivierung Bakterien Schutz vor Pathogenen -> Probleme mit Antibiotikabenützung; Probiotika Seite 13

14 Bakterielle Krankheiten Beispiele: Cholera -> Vibrio cholerae Diphtherie -> Corynebacterium diphtheriae Lepra -> Mycobacterium leprae Magengeschwüre -> Helicobacter pylori Meningitis -> Neisseria meningitidis Milzbrand -> Bacillus anthracis Pest -> Yersinia pestis Syphilis -> Treponema pallidum Tetanus -> Clostridium tetani Tuberkulose -> Mycobacterium tuberculosis Typhus -> Salmonella typhi Seite 14

15 Bakterielle Infektion Frühe Stadien der Infektion im Darm Seite 15

16 Virulenzfaktoren Virulenzfaktoren von Salmonella Funktionen von Virulenzfaktoren: ermöglichen Infektion der Wirtszellen und Geweben; hemmen Immunantwort; schwächen das Organismus Seite 16

17 Sekretionssysteme Type III Sekretionssystem (Injectosome) Infektionsfaktoren werden in die Wirtszellen spezifisch eingebracht Seite 17

18 Toxine: toxische Substanzen Toxine Endotoxine -> Toxine an der Oberfläche der Mikroorganismen " Exotoxine -> von Pathogenen ausgeschieden Können zum Zelltod durch Lyse oder Hemmung der Proteinsynthese, zu Muskelparalyse, Dehydration usw. führen α-toxin von Staphylococcus formt Poren in der Zellmembran Seite 18

19 Toxine, die im Darm wirken Enterotoxine Enterotoxin von Vibrio cholerae führt zu Diarrhea (Wasserverlust) durch die Aktivierung vom Enzym Adenylatcyklase Seite 19

20 Diagnostik von Pathogenen Isolierung und Charakterisierung von pathogenen Mikroorganismen (z.b., Antibiotika- Empfindlichkeit) Immunologischer Nachweis Nachweis durch die DNA-Amplifikation (PCR) Seite 20

21 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Immunologische Diagnostik Fluoreszenzmarkierten Antikörper ELISA Seite 21

22 Diagnostik durch PCR Mit PCR (Polymerase chain reaction = Polymerasenkettenreaktion) können spezifische DNA-Fragmente amplifiziert werden PCR Prinzip DNA-Amplifikation durch PCR Diagnostik mit PCR: Proben 2-9, 11, 12 und 15 sind positiv Seite 22

23 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 23

24 Bedeutung der Mikroorganismen in der Biosphäre Karbonzyklus: Fixierung von CO 2 und Abbau vom organischen Material Karbonzyklus Stickstoff-, Schwefel-, und Eisenzyklen Fixierung von N 2 Seite 24

25 Mikrobiologische Sanierung (bioremediation) Biologischer Abbau von Erdöl: -> Erdöl kann von Bakterien als Kohlenstoffquelle verwendet und daher abgebaut werden Biologischer Abbau vom Xenobiotika: -> auch naturfremde Stoffe (z.b., Pestizide, Farbstoffe) können oft von Bakterien abgebaut werden -> Gene für Xenobiotika-Abbau werden oft von Plasmiden übertragen Biologische Analoga zu Kunststoffen: -> aus bakteriellen Polymeren können degradierbare Analoga von Kunststoffen erzeugt werden Synthetisches Polymer Biopolymer Seite 25

26 Stickstofffixierung Fixierung von N 2 in der Landwirtschaft: -> Symbiose zwischen leguminosen Pflanzen (Sojabohnen, Klee, Luzerne etc) und Bakterien (Rhizobium etc) Wurzelknöllchen Sojabohnen auf Stickstoffarmen Boden Ohne Knöllchen Mit Knöllchen Seite 26

27 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Erkennung des Partners Austausch von Signalmolekülen: -> Wurzeln leguminoser Pflanzen scheiden Flavonoide aus -> Bakterien scheiden Nod-Faktoren aus Seite 27

28 Knöllchenbildung 1. Erkennung der Pflanze und Anheftung 2. Invasion der Haarwurzel 3. Wanderung zur Hauptwurzel 4. Bildung von stickstofffixierenden Bakteroiden innerhalb der Pflanzenzellen 5. Bildung eines Wurzelknöllchen Wurzelknöllchen Seite 28

29 Bacteroide und Stickstofffixierung Symbiotische Stoffaustausch: Pflanze->Bacteroid: organische Säuren; niedrige Niveaus von Sauerstoff Bacteroid->Pflanze: Ammoniak Seite 29

30 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Industrielle Mikrobiologie Industrielle Produkte von Mikroorganismen: -> Enzyme -> Antibiotika -> Steroide -> Lebensmittelzusatzstoffe (z.b. Aminosäuren) -> Chemikalien (z.b. Alkohol, Zitronensäure) Seite 30

31 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Lebensmittelindustrie Produktion von Wein, Bier, Essig Weinproduktion durch Weinhefe (Saccharomices ellipsoideus) Seite 31

32 Biotechnologie Herstellung von Säugetierproteinen und Impfstoffen durch genetisch veränderte Mikroorganismen: Herstellung eines Hormons -> Hormone und andere therapeutische Proteine -> Impfstoffe Klonierung fremder Gene Seite 32

33 Gentechnik in der Landwirtschaft Benützung von Agrobacterium tumefaciens für Gentransfer in die Pflanzen Seite 33

34 Gentechnik in der Landwirtschaft Herstellung von genetisch modifizierten (GM) Pflanzen: -> Resistenz gegen Herbizide: Expression der Gene, die Herbizidresistent sind -> Resistenz gegen Insekten: Expression von Toxinen (z.b., Bt-Toxin aus Bacillus thuringiensis) -> Expression von nützlichen Stoffen, z.b. menschlichen Hormonen Pflanzentransfektionssystem Seite 34

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