Mikrobielles Wachstum

Makroelemente:

C O H N`S Margarete Kocht Prima Ca Fe

=> Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Phosphor, Magnesium, Kalium, Calcium, Eisen

in höherer KOnzentration benötigt, Bestandteile der meisten Zellkomponenten

• geringe Konzentration, manchmal als Verunreinigung in Nährlösung ausreichend

• meist Metalle, häufig Cofaktoren oder Bestandteile vonm Enzymen

1. Eisen (Fe): Schlüsselkomponente von Cytochromen und anderen Proteinen -> Katalsaen, Peroxidasen etc

2. Zink (Zn): notwendig für die Proteinstruktur -> ADH, RNA-DNA Polymerasen

3. Mangan (Mn): als Aktivator für viele Enzyme benötigt.

4. Kupfer (Cu): in Enzymen enthalten, die an der Elektronentransportkette beteiligt sind -> Atmung, Cytochrom-c-Oxidase

5. Molybdän (Mo): Kofaktor für Enzyme, die an der Stickstofffixierung beteiligt sind -> Nirogenasen, Nitratreduktasen, sulfitoxidasen

6. Cobalt (Co): Bestandteil von Vitamin B12

7. Nickel (Ni): Kofaktor für (Coenzym F430)-> Methanogenese

1. B-Vitamine: Dazu gehören Thiamin (B1), Riboflavin (B2), Niacin (B3), Pantothensäure (B5), Pyridoxin (B6), Biotin (B7), Folsäure (B9) und Cobalamin (B12). Viele dieser Vitamine dienen als Vorläufer von Coenzymen, die eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen spielen.

2. Vitamin K: Es spielt eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung und kann von einigen Mikroorganismen im Darm produziert werden.

3. Vitamin A, D, E und K: Diese fettlöslichen Vitamine können von einigen Mikroorganismen aufgenommen und genutzt werden.

Glukose: Glukose kann durch verschiedene metabolische Pfade abgebaut werden, um Energie zu gewinnen, darunter die Glykolyse, der Pentosephosphatweg und der Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus oder Krebs-Zyklus). Bei Vorhandensein von Sauerstoff kann Glukose vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden, wobei eine große Menge ATP erzeugt wird. In Abwesenheit von Sauerstoff können einige Mikroorganismen Glukose durch Gärung abbauen, wobei weniger ATP und verschiedene Endprodukte, wie Ethanol oder Milchsäure, erzeugt werden.

Laktose: Einige Mikroorganismen, wie zum Beispiel das Bakterium Escherichia coli, können Laktose als Energiequelle nutzen. Laktose ist ein Disaccharid, das aus Glukose und Galaktose besteht. Um Laktose zu metabolisieren, muss sie zuerst durch das Enzym Beta-Galaktosidase in ihre beiden Monosaccharid-Bestandteile gespalten werden. Diese können dann durch die Glykolyse und weitere Stoffwechselwege abgebaut werden.

1. Aminosäuren

2. Nukleotide

3. Fettsäuren und Glycerin

4. Zucker

5. Cofaktoren und Vitamine

1. Sauerstoffkonzentration

2. Wasserverfügbarkeit

3. hydrostatischer und osmotischr Druck

4. Temperatur

5. pH-Wert

• C-Quellen

  -Bei heterotrophen MO oft Pepton, Zucker oder andere org. Substanzen wie Alkohol, Fettsäuren etc

  -dienen oft Gleichzeitig als Energiequelle

  -bei autotrophen MO oft CO2

• N-Quellen

  -oft Pepton, NH4+ oder NO3- Salze

  -manche können Luftstickstoff N2 verwenden -> N2 fixierer

  -übrige Makro- und Spurenelemente werden als anorganische Salze zugegeben

• Wuchsstoffe

  -Vitamine (pisches Beispiel ist das Vitamin B-Komplex, das verschiedene B-Vitamine wie B1 (Thiamin), B2 (Riboflavin), B3 (Niacin), B6 (Pyridoxin), B7 (Biotin), B9 (Folsäure) und B12 (Cobalamin) enthält), AS, Purine/Pyrimidine werden offt als Hefe- oder Fleischectrakt zugegeben

• H2O

  HAuptbestandteil aller Medien

=wasserlösöichr Teil eines autolysats von Brauereihefe

• enthält Oligopeptide, AS, Zucker, einige Fettsäuren, Cholin & alle Vitamine außer Vitamin B12 (Cobalamin)! dieses wird an der Luft zertsört

Cobalamin wird nur von bestimmten Arten von Bakterien produziert und kommt in Hefen nicht natürlich vor. Daher müssen Mikroorganismen, die Cobalamin benötigen, entweder in einem Medium kultiviert werden, das Cobalamin enthält, oder genetisch modifiziert werden, um ohne dieses Vitamin auszukommen.

• aus Fleischabfällen durch peptische oder tryptische enzymatische Hydrolyse

• enthalten Oligopeptide und AS

• liefern Mikroorganismen eine leicht verfügbare Quelle von Stickstoff und Kohlenstoff

• Trypton ist ein spezielles Pepton, das durch die Verdauung von Casein mit dem Enzym Trypsin gewonnen wird. enthält eine Vielzahl von Wachstumsfaktoren und AS, einschließlich Tryptophan, und ist daher besonders nahrhaft für Mikroorganismen. Es ist eine gängige Zutat in vielen mikrobiologischen Nährmedien, darunter das Luria-Bertani (LB) Medium

spezifische Arten von Peptonen und Tryptonen, die aus Casein hergestellt werden. Casein ist das Hauptprotein in Milch und ist reich an essenziellen Aminosäuren. Es wird durch enzymatische Behandlung in Pepton oder Trypton umgewandelt, die dann in Nährmedien verwendet werden können.

Casamino Säuren sind ein Produkt der sauren Hydrolyse von Casein. Im Gegensatz zu Pepton und Trypton, die aus größeren Peptiden bestehen, bestehen Casamino Säuren hauptsächlich aus freien Aminosäuren. Sie werden oft in mikrobiologischen Nährmedien verwendet, um eine Quelle von Aminosäuren bereitzustellen, die leicht von Mikroorganismen aufgenommen werden können.

für extrem spezialisierte MO lassen sich selektive Anreicherungsböden erstellen:

Mineralmedien-> frei von gebundenem N plus Licht ausgesetzt => selektiert nach stickstofffixierenden Cyanobakterien

gleiches Nährmedium + org. Energie & C-Quelle:

1. im Dnkeln mit Sauerstoff-> stickftofffixxierende, aerobe Bodenbakterien zB Azobacter

2. unter Luftausschluss -> anaerobe stickstofffixiernede Bodenbakterien zB Clostridien

auch Resistenz/Toleranz ggü. Säure/Basen, Hitze/sonneneinstrahlung können zur Selektion herangezogen werden

Gegenselektion:

• azidhaltige NB mit O2-> Milchsäurebakterien-> andere anaerobe Bak. unterdrückt (Azid& CYanid blockieren Cytochromoxidase)

• Penicilin-> unterdrückt grampositive Bakt.

• Cycloheximid -> hemmt Wachstum von Pilzen, Hefen und Protozoen => hemmt eukaryotische PBS

Selektivnährböden:

• Wachstum bestimmter Gruppe von MO wird begünstigt -> entwicklung anderer MO unterdrückt

• Zusammensetzung der Nährböden audf Bedürfnisse abgestimmt:

  -> Nährstoffzusammensetzung, pH-Wert, Salz-/Glucosegehalt

• zB KAA-Agar, Chapman Agar

Differenzierungsnährböden:

• lassen Wachstum mehrerer MO zu, differenzierung durch optische Indikatoren-> pH-Indikator, Veränderung des Agars

• zB Columbia, Braid-Parker, DNase-Test-Agar

• Beimpfung von Nährbrühe mit Bakteriengemisch-> Konkurrenz um Nährstoffe=> schneller wachsende Art setzt sich durch

• ZUgabe von Hemmstoffen, Veränderung pH-Wert oder Kulturbedingungen-> benachteiligte Arten setzen sich durch

• Selenit-Brühe: Anreicherung von Salmonellen aus Stuhlproben

• Kälteanreicherung: Inkubarion bei 4°C zur Anreicherung von Listerien

• Mycoplasmen-Nährlösung: Unterdrückung anderer Bakterien durch Penicillin und/oder Thaliumazetat

1. Kulturmedien: Methode zum Isolieren von Einzelkulturen in Festmedien

2. Kulturmedium: - Agar (kompl. Polysacharrid aus Rotalgen)-> Schmelzp. über 82°C, Erstarrungstemp. untr 44°C

   - Gelatine: bei 28°C flüssig

3. Vollmedien: lebensnotwendige und wachstumsfördernde Bestanfdteile

4. Minimalmedien: lebensnotwendige Bestandteile in definierter Form

5. Komplexmedien: Vollmedien, die nicht definierte Bestandteile enthalten

6. komplexe Anreicherungsmedium: stellt viele chem. Bausteine zur Verfügung, die Zelle synthetsieren müsste

7. Synthetisches medium: ausschließlich chemisch genau definierte Stoffe

Diauxie, zweiphasiges Wachstum von E. coli in Minimalmedium mit Zuckern als Substrat

a: Gemisch Glucose&Fructose

b: Glucose&Sorbit 1:3

c: 1:1

d: 3:1

Während der ersten Phase des Wachstums nutzt der Mikroorganismus den Zucker, den er am leichtesten metabolisieren kann, in der Regel Glukose. Wenn die Glukose aufgebraucht ist, kommt das Wachstum vorübergehend zum Stillstand, während der Organismus seine Metabolismusmaschinerie umstellt, um den zweiten Zucker zu metabolisieren, in diesem Fall Fructose. Dieses Phänomen ist als "Glukose-Fructose-Diauxie" bekannt.

weiteres Beispiel: Lac-Operon

1. Lag-Phase: Dies ist die Anpassungsphase, in der die Bakterienzellen ihre metabolischen Prozesse starten, sich aber noch nicht vermehren. In dieser Phase wird die Konzentration der Primärmetaboliten (z.B. Aminosäuren, Nukleotide) erhöht, während die Konzentration der Sekundärmetaboliten (z.B. Antibiotika, Pigmente) relativ niedrig bleibt. Die Zellzahl ändert sich nicht oder nur wenig.

2. Log-Phase (Exponentialphase): In dieser Phase vermehren sich die Bakterienzellen exponentiell, d.h. sie verdoppeln sich in regelmäßigen Zeitabständen. Die Konzentration der Primärmetaboliten bleibt hoch, da sie für das Wachstum und die Vermehrung benötigt werden, und die Konzentration der Sekundärmetaboliten beginnt zu steigen. Die Zellzahl steigt exponentiell.

3. Stationäre Phase: In dieser Phase erreicht das Wachstum der Bakterienpopulation ein Plateau, da die Nährstoffe im Medium erschöpft sind oder Abfallprodukte sich anhäufen. Die Produktion von Primärmetaboliten sinkt, während die Produktion von Sekundärmetaboliten ihren Höhepunkt erreicht. Die Zellzahl bleibt konstant.

4. Absterbephase (Tod-/Abnahme-Phase): In dieser Phase sterben die Bakterienzellen schneller ab, als neue Zellen gebildet werden, meistens aufgrund von Nährstoffmangel und Anhäufung toxischer Substanzen. Sowohl die Konzentration von Primär- als auch Sekundärmetaboliten sinkt. Die Zellzahl nimmt ab.

1. Gesamtzellzahlbestimmung:

   • Mikroskopische Zählung: auf Neubauer-Zählkammer ausgebreitet und die Zellen in mehreren Quadraten gezählt ->Gesamtzellzahl pro Volumeneinheit berechnen.

   • Spektrophotometrische Methode: Diese Methode misst die Trübung (OD - Optical Density) der Kultur in einem Spektrophotometer. Je mehr Zellen vorhanden sind, desto trüber ist die Kultur

2. Lebendzellzahlbestimmung:

   • Plattenverdünnung und Koloniezählung: Die Kultur wird in einer Reihe von Verdünnungen hergestellt und dann auf feste Nährböden ausgeplättet. Nach der Inkubation zählt man die Zahl der Kolonien (jede davon repräsentiert eine ursprüngliche lebende Zelle) und berechnet dann die Lebendzellzahl pro Volumeneinheit.

   • Lebensfähige Zählungen mit Fluoreszenz: Hierbei werden fluoreszierende Farbstoffe verwendet, die lebende und tote Zellen unterscheiden können, basierend auf der Integrität ihrer Zellmembranen. Diese Methode wird oft mit Durchflusszytometrie kombiniert, um einzelne Zellen zu zählen und zu klassifizieren.

1. Frischgewicht: Für die Bestimmung des Frischgewichts wird eine bekannte Menge der Kultur zentrifugiert, um die Zellen zu pelletieren. Dann wird das überstehende Medium vorsichtig entfernt und das Gewicht des verbleibenden Pellets, das die Zellen enthält, gemessen. Dieses Gewicht repräsentiert das Frischgewicht der Zellen.

2. Trockengewicht: Um das Trockengewicht zu bestimmen, wird das Pellet nach der Frischgewichtsmessung getrocknet, normalerweise durch Erhitzen bei einer bestimmten Temperatur für eine bestimmte Zeit, bis kein Wasser mehr vorhanden ist. Dann wird das Gewicht des getrockneten Pellets gemessen. Dieses Gewicht repräsentiert das Trockengewicht der Zellen.

3. Trübungsmessung: Die Trübung einer Zellkultur korreliert mit der Zellmasse. Sie kann durch Spektrophotometrie gemessen werden, bei der ein Lichtstrahl durch die Kultur geschickt wird und die Menge an Licht, die durch die Kultur hindurchgeht, gemessen wird. Je trüber die Kultur (also je mehr Zellen vorhanden sind), desto weniger Licht geht durch die Kultur hindurch. Diese Methode ist schnell und einfach und erfordert keine aufwendige Vorbereitung der Proben, gibt jedoch nur eine indirekte Messung der Zellmasse.

• Generationszeit (Verdopplungszeit): Dies ist die Zeit, die benötigt wird, damit sich die Zellzahl in der exponentiellen Phase verdoppelt.

• Wachstumsrate: Dies ist die Geschwindigkeit, mit der die Zellzahl in der exponentiellen Phase zunimmt. Es wird oft als die Anzahl der neuen Zellen pro Zeiteinheit ausgedrückt.

• Maximale Zellzahl (oder Tragfähigkeit): Dies ist die maximale Zellzahl, die in der Kultur erreicht wird, normalerweise am Ende der exponentiellen Phase und während der stationären Phase.

• Sterberate: Dies ist die Geschwindigkeit, mit der die Zellen in der Tod- oder Absterbephase absterben.

1. n Zahl der Zellen nach n Teilungen (exponentielles Wachstum): Wenn eine einzelne Zelle sich teilt, entstehen zwei Zellen. Nach weiteren Teilungen erhöht sich die Zellzahl exponentiell. Wenn eine Population von Zellen sich also n Mal teilt, dann ist die Anzahl der Zellen nach diesen n Teilungen gleich der Anfangszellzahl multipliziert mit 2^n.

2. Anzahl der Teilungen: Dies bezieht sich auf die Anzahl der Male, die eine Population von Zellen sich während einer bestimmten Zeitperiode geteilt hat. Zum Beispiel könnte man sagen, dass eine Zellpopulation sich in einem Zeitraum von 24 Stunden zehnmal geteilt hat.

3. Teilungsrate: Die Teilungsrate ist die Anzahl der Teilungen pro Zeiteinheit. Sie wird oft in Form von Teilungen pro Stunde oder pro Tag ausgedrückt. Eine hohe Teilungsrate bedeutet, dass sich die Zellen schnell vermehren, während eine niedrige Teilungsrate auf langsames Wachstum hinweist.

4. Generationszeit (oder Verdopplungszeit): Dies ist die Zeit, die benötigt wird, damit sich die Population einmal teilt, d.h. die Zellzahl verdoppelt. Sie wird berechnet, indem man die Zeitperiode durch die Anzahl der Teilungen teilt. Eine kurze Generationszeit bedeutet schnelles Wachstum, während eine lange Generationszeit langsames Wachstum anzeigt. Die Generationszeit variiert stark zwischen verschiedenen Arten von Mikroorganismen und kann auch von den spezifischen Wachstumsbedingungen beeinflusst werden.

Physikalische Kontrollen:

• Hitzesterilisation

• Sterilisation durch Bestrahlung

• Filtersterilisation

chemische Kontrollen

• Antimikrobielle Wirkstoffe allgemein

• Antibiotika

• Resistenzentwicklung&neue Antibiotika