Gerhart Drews. Mikrobiologie. Die Entdeckung der unsichtbaren Welt

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1 Mikrobiologie

2 Gerhart Drews Mikrobiologie Die Entdeckung der unsichtbaren Welt 1 3

3 Prof. Dr. Gerhart Drews Inst. Biologie II Universität Freiburg Schänzlestr Freiburg Deutschland gerhart.drews@biologie.uni-freiburg.de ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Die Unsichtbaren : das sind vor allem die Bakterien, aber auch andere, mikroskopisch kleine Lebewesen. Sie waren bei ihrer Entdeckung im 17. Jahrhundert ein wenig beachtetes Kuriosum. Es gab nur die Vermutung, dass Pestilenz und Fäulnis durch etwas Materielles übertragen und hervorgerufen werden. Erst im 19. Jahrhundert begann die systematische Erforschung der Kleinstlebewesen und ihrer Eigenschaften. In den vergangenen Jahrzehnten ist unser Wissen über Bakterien und ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt dank der Fortschritte in der Molekularbiologie gewaltig angewachsen. Dieses Buch ist kein Lehrbuch der Mikrobiologie und ihrer Geschichte und kein historischer Roman, sondern versucht dem Leser die Welt einiger Denker, Forscher und interessierter Laien aus vergangenen Jahrhunderten näher zu bringen, die sich im Rahmen ihrer Möglichkeiten mit den kleinen Tierchen beschäftigten. Erst im 19. Jahrhundert wurden die Wurzeln für die moderne Mikrobiologie gelegt. Wir wollen einige der Pioniere und ihre Zeit kennen lernen. Heute beeindrucken uns die ungeheure Vielfalt und die außergewöhnlichen Leistungen der Bakterien und ihre Wirkung auf die Umwelt, die vor allem auf der Basis neuer biochemischer und molekulargenetischer Forschung ergründet wurden. Dieses Buch will die Faszination, die von der Welt der Bakterien ausgeht, anhand einiger aktueller Themenkomplexe vermitteln. Dazu gehört auch die Entdeckung der suborganismischen, infektiösen Agenzien. Wenn in der heutigen Zeit die Medien aktuelle biologische Fragestellungen thematisieren, so konzentrieren sie sich auf den Menschen und die Tier- und Pflanzenwelt. Die dadurch entstandene Lücke in der Wissensvermittlung versucht dieses Buch auszufüllen. Natürlich war es auch die Neugier, der Frage nachzugehen, wie sich Wissenschaft in vergangenen Jahrhunderten im Kontext der kulturellen Evolution entwickelte. Dem Springer Verlag, und hier besonders Herrn Dr. Dieter Czeschlik und Frau Stefanie Wolf, sei gedankt, das Wagnis einzugehen, diese Thematik als Buch zu veröffentlichen und mich bei der redaktionellen Bearbeitung zu unterstützen. Ebenso gilt mein Dank Frau. Dr. Claudia Schön für die Bearbeitung des Manuskriptes. Mein Dank gilt auch Dr. Tobias Erb und Rafael Say, die mir bei der Anfertigung einiger Zeichnungen halfen. Danken möchte ich auch Wolfgang H. Müller für die Bearbeitung von Bildmaterial. Prof. Karl O. Stetter, Dr. Marc Mussmann und Miriam v

5 vi Vorwort Weber sowie Verlage und weitere Kollegen stellten mir dankenswerter Weise Bildmaterial zur Verfügung. Dank sei auch denen, die durch kritische Durchsicht des Manuskriptes den Text verbessern halfen. Freiburg Gerhart Drews

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Was sind Mikroorganismen und wie sind sie entstanden Anfänge naturwissenschaftlichen Denkens Galenos von Pergamon ( ), ein bedeutender Mediziner in der Antike Hieronymus Fracastoro und das infektiöse Agens Fracastoro als Arzt und Dichter Die Lehre von den Kontagien der Infektion Die Fortschritte der Naturwissenschaften im 17. und 18. Jahrhundert Antoni van Leeuwenhoek ( ) Holland im 17. Jahrhundert Van Leeuwenhoek baut Mikroskope und entdeckt eine neue Welt Die Entdeckung der sehr kleinen Tierchen Versuche, den Bakterien in der Welt der Lebewesen einen Platz zuzuweisen Mit der Hypothese der Urzeugung entwickelte sich modernes Denken und Experimentieren Generatio spontanea und die Entdeckung von Entwicklungszyklen Versuche zur Sterilisation Die Entwicklung moderner mikrobiologischer Forschung im 19. Jahrhundert Neue Methoden und Denkansätze Der Breslauer Botaniker Ferdinand Cohn setzt Maßstäbe für die bakteriologische Forschung vii

7 viii Inhaltsverzeichnis Jugend und Studienjahre Aktivitäten Cohns in der Forschung und an der Universität Breslau Gründung des pflanzenphysiologischen Institutes Popularisierung von Wissenschaft Neubau des Institutes für Botanik und Pflanzenphysiologie Cohn, Koch und Pasteur repräsentieren Richtungen bakteriologischer Forschung Begründung einer modernen Bakteriologie durch Cohn Edwin Klebs ( ) Koch revolutioniert die Infektionsbiologie Der Nachweis von Infektionserregern durch Koch und Mitarbeiter Gärungsphysiologie und Immunisierungsversuche im Labor von Pasteur Unterschiedliche Forschungsstrategien in den Schulen von Koch und Pasteur Entdeckung des Erregers der Tuberkulose durch Robert Koch Infektionskrankheiten und ihre Bekämpfung Die Entwicklung von Antikörpern gegen Krankheitserreger Paul Ehrlich und die Chemotherapie Kochs zweite Ehe Kochs Untersuchungen tropischer Infektionskrankheiten Reise nach Japan Kochs letzte Lebensjahre Die vielfältigen Aktivitäten von Bakterien in der Natur Entwicklung von Methoden und Denkansätzen Der Stickstoffkreislauf Fixierung elementaren Stickstoffs Sergej Nikolaevitch Winogradsky ( ) Nitrogenase und Stickstoffreduktion Nitrifikation Dissimilatorische Nitratreduktion, Denitrifikation Anaerobe Ammoniumoxidation Ökologische Aspekte des Stickstoffkreislaufes Der Kreislauf des Schwefels Dissimilatorische Sulfatreduktion Oxidation von Schwefelwasserstoff (H2 S), Sulfurikanten Die Kreisläufe von Sauerstoff und Kohlenstoff Die Entstehung der Erdatmosphäre und ihr Einfluss auf die Biosphäre

8 Inhaltsverzeichnis ix Die Atmungskette Der Kreislauf des Kohlenstoffs: Fixierung von Kohlendioxid, CO Metalle im Energiestoffwechsel von Bakterien Eisenoxidation und Eisenreduktion in verschiedenen Erdperioden Metall-oxidierende Bakterien bei biotechnologischen Verfahren Die Aufklärung von Gärungsstoffwechsel und Atmung Die photosynthetisch aktiven Bakterien Die Entdeckung pigmentbildender Bakterien Engelmanns Untersuchungen zur Photosynthese der Algen und Bakterien Die grünen Bakterien und Reaktionszentren der anoxygenen Photosynthese Die Welt der blaugrünen Algen, die Cyanobakterien mit oxygener Photosynthese Die Entdeckung der Viren und anderer suborganismischer infektiöser Agenzien Das Tabakmosaikvirus und andere Viren Viroide: nackte, infektiöse Ribonukleinsäure Prione, die unheimlichen Krankheitserreger aus Protein Die Wege zur Entdeckung von Proteinen, Enzymen und Zellstrukturen Die Zelle als Grundbaustein aller Organismen Entdeckung des Generationswechsels Die Einheit des Stoffwechsels und die Aufklärung der Proteinstruktur Die Molekularbiologie erweitert unser Blickfenster auf das Geschehen in der Natur Das Entstehen der Vererbungslehre Die Chemie der Makromoleküle Das Entstehen der Bakteriengenetik Lederberg und sein Beitrag zur Entwicklung der Bakteriengenetik Fortschritte der molekularen Genetik Die Doppelhelix der Desoxyribonukleinsäure (DNA) Strukturaufklärung Replikation der DNA Der genetische Code und seine Übersetzung in die Sprache der Proteine Genkartierung und zellfreie Proteinsynthese

9 x Inhaltsverzeichnis 10.8 Die molekulare Biologie der Zelle Genomsequenzen Struktur und Teilung des bakteriellen Chromosoms Cytoplasmatische Membran und Cytoskelett Der Begriff der Spezies und die Sexualität bei Bakterien Methoden der Klassifizierung von Bakterien Genomorganisation und Expression Regulation des Stoffwechsels Die Verwandtschaft zwischen Bacteria, Archaea und Eukarya Die Symbiontentheorie und ihr Einfluss auf die Deutung der Stammesentwicklung Die Drei-Domänen- und die Eocytenhypothese Bacteria und Archaea Regulation von Stoffwechsel und Zelldifferenzierung Die ATP-Synthase Energieproduktion durch Substratstufenphoshorylierung Anpassung an Umweltfaktoren Temperatur Konzentration von H +- und OH -Ionen Andere, das Wachstum beeinflussende Faktoren Mikroorganismen und ihre Umwelt Süßwasser-Binnenseen Strategien der Bakterien, einen optimalen Lebensraum zu besetzen Aktive Bewegung von Bakterien Das Streifenwatt Lebensgemeinschaften an den Hydrothermalquellen der Tiefsee Leben unter dem Eis in der Antarktis Der Pansen und seine Bewohner Andere extreme Standorte Lebensgemeinschaften im Boden Die Rhizosphäre Nitrogenase Trinkwasser und Abwasser Moderne Abwasseranlagen Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie Die Systembiologie untersucht Regulationsnetzwerke und phylogenetische Beziehungen

10 Inhaltsverzeichnis xi 16 Die synthetische Biologie konstruiert Organismen mit bestimmten Eigenschaften Anmerkungen zur Evolution der Lebewesen Ausblick Literatur Sachverzeichnis

11 Symbole und Abkürzungen acidophil säureliebend, bei ph Wert 1 6 wachsend A Adenin ATP Adenosintriphosphat ADP Adenosindiphosphat aerob Wachstum Sauerstoff abhängig analog: anaerob Wachstum ohne Sauerstoff anoxisch Habitat ohne Sauerstoff Autothrophie selbsternährend, CO 2 als einzige Kohlenstoffquelle bp Basenpaare; kbp Kilobasenpaare; Mbp Millionen bp C Cytosin Chemolithoautothrophie Wachstum in rein mineralischer Nährlösung mit CO 2 als einziger Kohlenstoffquelle. Energiegewinnung durch Redoxprozesse zwischen anorganischen Verbindungen DNA Desoxyribonukleinsäure extrem thermophil Wachstum zwischen 65 und 85 C G Guanin halophil höhere Salzkonzentrationen werden toleriert hydrophil/hydrophob Wasser liebend/wasser abstoßend hyperthermophil Wachstum bei Temperaturen über 85 C lithotroph Verwendung anorganischer Verbindungen (H 2, NH 3, H 2 S, CO, Fe(II) u. a.) als Elektronendonator mrna messenger- Boten-RNA Ma Millionen Jahre vor heute mesophil Optimum des Wachstums bei Temperaturen von 20 bis 40 C Mio. Millionen n. Chr. nach Christi Geburt ns Nanosekunde = 10 9 Sekunden; ps Picosekunde = Sekunden. organotroph Ernährung mittels einer organischen C-Quelle oxisch Habitat mit Sauerstoff xiii

12 xiv Symbole und Abkürzungen psychrophil bei niedrigen Temperaturen ( 2 bis +25 C) Wachstumsoptimum, kälteliebend RNA Ribonukleinsäure; trna transferrna T Thymin thermophil bei Temperaturen von etwa 45 bis 70 C wachsend G 0 Symbol für freie Enthalpie; Ladungsgradient, Membranpotential; H + Protonengradient 1 m = 10 6 m; 1 nm = 10 9 m mehr als; weniger als ~ etwa