Mikrobiologie

Trotz geringer Größe wesentlicher Anteil an organischen Biomasse

Höchste Individuenanzahl Bakterien>Archaeen>Pilze

-> Vielfalt Mikroorganismen sehr groß (im Vergleich zu Pflanzen und Tieren)

Anhand DNA-Sequenzierung

• Isolierung DNA

• PCR(Vervielfältigung) des Gens für ribosomale RNA (Marker über alle Organismen hinweg)

• Sequenzierung u. Analyse/Sequenzvergleich

Ähnlichkeitsvergleich Sequenz, Ausrichtung der Sequenzen bis bestmögliche Übereinstimmung

Analog zur Einordnung bei Eukaryoten

Bakterien

Archaeen

Eukaryoten

Aus Archaeen entwickelt

Erkenntnis durch Nutzung DNA-Identifizierung

Archaeen hat Eigenschaften von beiden Gruppen

Bsp.

Ringförmiges Chromosom bei B&A

Start-Aminosäure bei A&E

Bei Prokaryoten:

Ohne Mitochondrien

Ohne Golgi-Apparat

Ohne Zellkern

Ohne Chromosomen (dafür zirkuläres Molekül: Plasmid)

Viele Mikroorganismen sind noch unkultiviert, somit wenig Information

• Kokkus (rund)

• Stäbchen

• Spirillum (gebogen/gewellt)

• Spirochät (lang/Korkenzieher)

• knospend u. mit Zellanhang

• filamentös (lang/dünn)

0,5-2 µ (Mikrometer)

System in Zellen basierend auf Diffusion - wenn groß, dann große Vakuole u. kleiner Cytoplasmabereich

Gut sichtbar im Lichtmikroskop, besser im Elektronenmikroskop

Je kleiner, desto mehr Oberfläche=Membran im Verhältnis zu Volumen=Cytosol

Das ermöglicht insgesamt mehr/effizienteren (Sauerstoff-) Austausch, somit schnelleres Wachstum

1. Replikation des Chromosoms

2. Replikationsursprünge wandern zu den beiden Enden der Zelle

3. Verlängerung der Zelle

4. Beginn Bildung Septum: Ausbildung Plasmamembran nach innen

5. Bildung Zellwände und Trennung der Zellen

Finale Zellzahl = Initiale Zellzahl x 2 hoch Anzahl Teilungen

(unter optimalen Bedingungen)

Zeit um 1x Generation zu verdoppeln

• Abhängig von Wachstumsbedingungen (z.B. limitiertes Nährmedium)

• min 10min bis mehrere Wochen

Auf Nährmedien: Agarplatten o. Flüssigkultur

Für konstante Bedingungen über lange Zeiträume: Chemostaten

-> Zufuhr u. Abfluss des Mediums und Luft

Ein durchgängiges Molekül

Phytanol o. Crenarchaeol statt Fettsäuren

Ether- statt Estherbindungen

—> Stabil (unter heißen Bedingungen)

Cytoplasma - Plasmamembran - Peptidoglycan (Zellwand)

• außen glatt

• dicke Zellwand -> bis 90% Peptidoglycan (40Schichten)

• Stabil

• Keine Auwaschung oder Safraninfärbung bei Gramfärbung

Cytoplama - Plasmamembran - Peptidoclycan - äußere Membran (Zellwand)

• außen Struktur: Lipopolysaccaride (Ketten) — äußeres Ende anders als Inneres

• dünne Peptidoglycanschicht -> bis 10% Peptidoglycan (5Schichten)

• Instabiler (platzen)

• Auswaschung und Safraninfärbung

Aminosäure & Zucker

gibt der Zellwand Stabilität

Glykankettten und Peptidquervernetzungen

Bausteine: N-Acetylglucosamin,N-Acetylmuraminsäure u. Peptidketten (mit D-Aminsosäuren zur Verknüpfung)

Zur Differenzierung von Bakterien

Basiert auf Unterschieden im Zellwandaufbau

Unterschiedet sich von Bakterien (kein Murein, keine äußere Membran)

Überwiegend aus Polysaccariden, insbesondere Chitin

Meist durch Flagellen:

Peritrich - mehrere Flagellen verteilt

Polar - eine an einem Ende

Lophotrich - mehrere an einem Ende

-> Bewegung kostet Energie in Form von Protonentranslokation ins Zellinnere

*Flagellenaufbau unterschiedlich bei Bakterien/Archaeen

Gerichtete Bewegung hin zu/weg von Lock-/Schreckstoff

Anwesenheit von O2

Abwesenheit von O2

Universell

Sehr Alt

-> Glykolyse! u. Zitratzyklus + Atmungskette o. Gärung

Durch Gärung:

alkoholische Gärung o. Milchsäuregärung

Energiegewinnung gering (da keine Atmungskette)

1. Glykolyse: Glucose zu 2 Pyruvat zerlegt

   dabei Gewinn 2 ATP (aus 2ADP + P) & 2 NADH (aus 2NAD+)

2. Decarboxylierung des Pyruvats zu Acetaldehyd -> Abgabe 2 CO2

3. Regenerierung 2 NAD+ aus 2 NADH + H+ durch Übertragung der Elektronen auf Glykolyse-Endprodukte

4. Endprodukt: 2 Ethanol

1. Glykolyse: Glucose zu 2 Pyruvat zerlegt

   dabei Gewinn 2 ATP (aus 2ADP + P) & 2 NADH (aus 2NAD+)

2. Regenerierung 2 NAD+ aus 2 NADH + H+ durch Übertragung der Elektronen auf Glykolyse-Endprodukte

3. Endprodukt: 2 Lactat

• durch Ausscheidung von Säuren wird Umgebung der Bakterien angesäuert

Meist durch Hefe (andere Teilungs als binäre bakterielle Teilung)

Wenn ausreichend Sauerstoff: aerobe Aktivität (viel ATP Gewinn durch Atmungskette)

Bei Sauerstoffmangel: Gärung

CO2 lässt den Teig aufgehen

Endprodukt nur Lactat

2ATP Gewinn

Endprodukte Lactat UND Ethanol

1 ATP + CO2

Bspw. bei Emmentaler Herstellung

Ausgangsstoff 3 Lactat

Endprodukte: 2 Propionat, Acetat, CO2, H2O

Energiegewinnung 3ATP

(Zuständiges Bakterium lebt auch in Pansen der Kühe)

Elektronen müssen ebenso wie bei Gärung von NADH + H+ auf Substrate übertragen werden, um NAD+ zu regenerieren!

Veränderte Atmungskette:

Elektronenübertragung auf versch. reduzierbare Substrate.

Energiegewinnung

Gärung < anaerobe Atmung < aerobe Atmung

Denitrifikation

• Elektronenübertragung auf Nitrat (statt O2) - ANAEROB

• Nitrat (NO3-) wird zu Nitrit (NO2-)

  (Nitrit zu Stickoxid (NO) zu Lachgas (N2O)

  zu Stickstoff (N2) = effiziente vollständige Denitrifikation)

• Geringerer Energiegewinn (da weniger Protonen H+ durch Membran transportiert werden können)

Chemotroph - Energiequelle: Chemikalien

Unterscheidung organische o. chemische Chemikalien - Chemoorganotroph vs. Chemolithotroph

-> Tiere, Pilze

Phototroph - Energiequelle: Licht

-> Pflanzen

Kohlenstoffquelle: anorganische Verbindungen (Bsp. CO2)

Unterteilung:

Photoautotroph: Energiequelle Licht

Chemoautotroph: Energiequelle Anorganische Verbindungen

Energie aus Oxidation anorganischer Verbindungen

Geeignete Substrate: reduzierte anorganische Verbindungen

Ammonium NH4+

Wasserstoff H2

Zweiwertiges Eisen Fe2+

Schwefelwasserstoff H2S

meist gleichzeitig autotroph (chemolithoautotroph)

Abhängig vom Reduktionspotential der Substrate

Wasserstoff guter Elektronendonor ΔG hohe negative Zahl

Stickstoff schwächerer Elektronendonor ΔG kleine negative Zahl

• Oxidation der anorganischen Substrate über Enzyme

• Diese Enzyme sind an Atmungskette gekoppelt

• Einschleusen Elektronen in Atmungskette

  -> Aufbau Protonengradienten für ATP-Synthese

Primärproduzenten: Pflanzen

-> Umwalndlung anorganisches in organisches Material

Zersetzung des organischen Materials durch Destruenten

und Umwandlung in CO2

CO2 + H2O -> (CH2O) + O2

(Fotosynthese)

6x CH2O geben Glucose: C6H12O6

durch Mikroorganismen

Aerob

(Ch2O) + O2 -> CO2 + H2O

Zerlegung Polymer (bsp. Cellulose) durch Enzym

-> Monomeren (bsp. Glucose)

-> Glycolyse u. Citratzyklus (Abgabe CO2)

Anaerob

2(CH2O) -> CO2 + CH4 (Methan)

Alle natürlichen organischen Verbindungen werden im Lauf der Zeit wieder in CO2 umgewandelt!

Je nach Komplexität des Abbaus schneller/langsamer und mehr/weniger Mikroorganismen die für Abbau geeignet sind.

Synthetische Verbindungen, die nicht von Organismen in der Natur hergestellt werden.

• Können nur z. T. trotzdem von Mikroorganismen abgebaut werden

• Bsp. Plastik -> Anreicherung in Umwelt

• Problem: Enzymatische Zufallsreaktion -> unregulierbare Entstehung toxischer Substanzen möglich

Zwei oder mehr Organismen kooperieren, um eine Substanz abzubauen, die keiner alleine abbauen kann

Bei Anaeroben Abbau:

Fermentierer u. Methanogene

2(CH2O) -> CO2 + CH4

Polymere -> Monomere -> Fermentation durch Fermentierer

A -> Acetat

B -> Energiereiche Substanzen

C -> H2,CO2

—> zu Acetat durch Acetogene

—> zu Methan durch Methanogene

Ausschließlich durch Methanogene Archaeen

Leben ausschließlich von Acetat o. H2+CO2 als Energiequelle

-> die meisten H2+CO2, die wenigsten Acetat (da energetisch ungünstiger)

Obligat Anaerob - können nur in sauerstoffreiche Umgebungen leben Bsp. Moore, Reisfelder, Biogasanlagen

Name der Organismen: Methano…

Nachwachsende Rohstoffe oder Reststoffe kommen in

Fermentierer mit Gasspeicher (mit methanogenen Archaeen)

1 - Gärungsrückstände werden landwirtschaftlich Verwertet

2 - Biogas zu Umwandlung in Strom, Wärme oder für Erdgasnetz

Aerober Methanabbau: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O

Meist obligat methanotroph - Leben ausschließlich von Methan als Energiequelle

-> Teil Methan zu CO2, Teil zu Biomasse

An Grenzen zwischen Methan (anoxisch) und Sauerstoff (oxisch), bspw. Reisfelder, Moore

-> Reduzieren Methanemissionen -> Methan schlechtere Ökobilanz, als CO2

Organismen: Methylo…

Natürlche Quellen:

Feuchtgebiete

Antropogene Quellen:

Reisfelder, Mülldeponien, Viehwirtschaft

Senken:

Mikrobieller Abbau, Athmospherische Oxidation (zu CO2+H2O)

Umwandlung von Nitrit oder Ammonium zu Nitraten

Aerob

Durch Nitritoxidierer oder Ammoniumoxidierer

• N-Fixierung

  Stickstofffixierende Bakterien

  Bspw. in Wurzelknöllchen

• Ammonifikation (Zersetzung org. Biomasse zu Ammonium)

• Nitrifikation (Umwandlung Ammonium in Nitrat)

• Aufnahme Nitrat durch Wurzel

• Unter anoxischen Bedingungen: Denitrifikation (zu Lachgas oder N2) + Freisetzung von N2O und N2 in Athmosphäre -> N-Verlust im Boden

Unterdrücken temporär die Nitrifiziereraktivität

• Ziel: Vermeidung Auswaschung bei Niederschlag

Bei Leguminosen an Wurzel in Wurzelknöllchen

Entstehung:

Abgabe Lockstoffe/Flavonoide durch Wurzel

Aktive Zuwanderung Bakterien und spontane Synthese von Signalstoffe/Nod-Faktoren

Auslösen Wurzelhaarkrümmung und Eintritt über Wurzelhaar

Ausbildung Wurzelknöllchen durch Zellteilung mit anaeroben Bedingungen für Bakteroide

Synthese von Leghämoglobin in Pflanze + Synthese von Proteinen zur N-Fixierung in Bakterien

Versorgung der Bakterien durch Pfllanze über Leitgewebe

Stcickstofffixierende Bakterien Rhizobium…

Pflanzen-Wirts-Spezifität!

Flavonoide

Zur Kontrolle des Eintritts:

Spezifische Nod-Faktoren

(Lösen Wurzelhaarkrümmung und Zellteilung in Wurzelrinde aus)

- durch eine Membran vom Cytosol der Pflanzenzelle abgetrennten Strukturen, in denen die N-fixierenden Bakterien leben

stark vermehrte, differenzierte, N-fixierende Bakterien im Symbiosom

katalysatorisches Schlüsselenzym der N-Fixierung

wichtig bei Umwandlung Stickstoff zu Ammoniak

Benötigt viel Energie

Sauerstoffempfindlich!

Schützt Nitrogenase vor O2

• bindet Sauerstoff

In Kombination mit O2 Diffusionsbarriere des Knöllchens effizient

(Wird in veganen Produkten zur Nachahmung von Blut eingesetzt)

Pflanze liefert Energie und anoxische Bedingungen

Bakterien liefern N

N-Fixierung nur in N-limitierten Ökosystemen

Leben z.T. In Assoziation mit Pflanzen

Bsp. Flechten: Gemeinschaft aus Cyanobakterium zur N-Fixierung plus Pilz

Können N-Versorgung der Pflanze verbessern

Bakterienname Azo…

Besiedlung der Bakterien im inneren der Pflanze

Besiedlung der Bakterien auf Oberfläche der Pflanze

Einzellig oder

Vielzellig (dann aus Hymphengeflecht septiert (mit Trennwand/Septum) oder unseptiert)

Bedeutung:

• Zersetzung von org. Material

• Parasiten

• Mutualisten!

Mutualistische Pilze - Mutualistische Assoziation zwischen Pilzen und Pflanzenwurzeln

90% der Landpflanzen mit Mykorrhiza

Vorteil für Pflanze: verbesserte Nährstoffaufnahme und Wasser (durch vergrößertes Bodenvolumen der weitreichenden, dünnen Pilzhymphen)

Vorteil für Pilz: erhält Energie- und Kohlenstoffquelle

-> abruskuläre Mykorrhiza

Pilz wächst in die Pflanzenzelle der Wurzelrinde und verzweigt sich -> Abruskeln

Dort Nährstoffaustausch

Obligat biotroph = zwingend auf Pflanze angewiesen

Entstehung:

Strigolactone (Lockstoffe Pflanze) und Myc-Faktor (Signalstoff Pilz)

(Analog zu Knöllchen und Bakterien)

Pilz wächst zwischen den Pflanzenzellen der Wurzelrinde (keine Abruskeln)

und überwuchert die Wurzel

(Weniger Vertreter - sichtbarer Teil bspw. Fliegenpilz)

Gesamtheit der Mikroorganismen in spez. Umwelt

einschließlich ihrer funktionellen Eigenschaften

Identität der Mikroorganismen in ihrer Gemeinschaft in spez. Umwelt

Organismus, der sich von der Nahrung des Wirts ernährt, ohne ihm zu schaden

Mikroorganismen mit vorteilhaften Eigenschaften: Mutualistische

-> mögliche Wirkungen: verbesserte Nährstoffaufnahme, Schutz vor Pathogenen, Wachstumsstimmulierung

Mikroorganismen mit nachteiligen Eigenschaften: parasitisch

Je nach Bereich des Körpers unterschiedliche Zusammensetzung

Bedeutung:

Energie des Pflanzenfressers aus Cellulose gewonnen, Tier selber kann keine Cellulose nutzbar machen

-> Aufschließen Cellulose durch Mikroorganismen zu absorbierbaren Molekülen

—> Unterstützung der Verdauung pflanzlicher Nahrung!

1. Pansen - Nahrungsklumpen des Grases

2. Netzkarten - Teil der Nahrung wird durch hochwürgen erneut gekaut

   -> 1.&2. -> Mikroorganismen schließen cellulosereiche Nahrung ANOXISCH auf + Fermentation

3. Blättermagen - Wasserentzug

4. Labmagen - Abbau durch Verdauungsenzyme

Über verschiedene Gärungsvarianten (u.a. Milchsäuregärung)

Aus Cellulose gewonnene Glucose wird zu Acetat > Propionat > Butyrat und Abfallstoffen CO2 > CH4 fermentiert

Acetat, Propionat und Butyrat gelangendurch Resorption in Blutkreislauf und dienen als Energiequelle

Abhängig von Nahrung

• bei aprupter Nahrungsumstellung Versauerung des Magens durch Wachstum von Bakterien, die Milchsäurefermentation betreiben -> hemmt Pansenmikrobiom und führt zur Entzündung

Reduktion durch:

Inhibition von Methanogenen

Ernährung (gesteigerte Nährstoffeffizienz)

Leistungssteigerung (genetisch)

Bspw. Wiederkäuer

Nahrungsbrei gelangt nach Wiederkäuen in sauren Magen und kann dort weitere mikrobielle Nährstoffe resorbieren

Bspw. Menschen, Pferde, Kaninchen

Verbessern Nährstoffaufnahme zum Teil durch Kotaufnahmen

Magen -> Dünndarm -> Dickdarm

Zunahme Bakterienanzahl, Abnahme Säure

Zwei essentielle Darmbakterien: Bacteroidetes u. Firmicutes

Kaum Eukarya

• anoxisch

• Verdauen Cellulose u. Pektin, entstehende Zucker werden vergärt

Bspw. Vitaminsynthese -> kann der Mensch nicht selber herstelllen

Variiert in Abhängigkeit von Lebensstil, Ernährung, Gesundheitszustand, Geschlecht, Alter u. genetischem Hintergrund

Gesundheit hat Auswirkungen auf Mikrobiom u. Mikrobiom hat Auswirkungen auf Gesundheit

Mikrobiom kann u.a. antibiotisch oder als Neurotransmitter oder auf Immunsystem wirken

Lebende Mikroorganismen, die nach Zuführung zu Verbesserung des Gesundheitszustandes des Wirts führen.

(Meist keine dauerhafte Etablierung - bspw. Lactobacillus)

Nährstoffe aus Pflanzen, die das Wachstum von nützlichen Mikroorganismen fördern

Die Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms beeinflusst das Gewicht, also die Nahrungsverwertung

Genetisch bedingte Fettleibigkeit (bei Mäusen):

weniger Bacteroidetes, mehr Firmicutes und methanogene Archaea

Methanogene Archaea erhöht mikrobielle Effizienz

-> denn niedrige H2-Konzentration fördert Fermentation

-> mehr Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat) entstehen

Vielzahl verschiedener Mikroorganismen

Verschiedene Körperregionen spezifisch besiedelt - bspw. Haut, Verdauungssystem

Bedeutung noch nicht lange erforscht

Hat Einfluss auf verschiedene Erkrankungen