Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10
Grundvorlesung Biologie I, Teil Mikrobiologie
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
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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
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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
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Sterilisation durch Bestrahlung Sterilisation durch die UV-Strahlung -> Dekontamination von Laborwerkbänken
Sterilisation durch die ionisierende (Röntgen etc) Strahlung -> Medizin (Implantate, Geräte, Einwegmaterialien, Medikamenten) -> Lebensmittel
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Filtersterilisation Filtration von Flüssigkeiten durch die Membran mit kleinen Poren (0,4-0,2 µm) Leptospira Bakterien auf der Membran
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Antimikrobielle Agenzien Hemmung von Wachstum -> bakteriostatisch (bzw. fungistatisch oder viristatisch)
Abtötung -> bakterizid (bzw. fungizid oder virizid); auch bakteriolytisch Bakteriostatisch
Bakterizid
Oberflächenanwendung: Antiseptika
Bakteriolytisch
Desinfektionsmittel
Alkohol (60-85%) H2O2 Phenol
Chlorgas; Formaldehyd
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Wirkung der chemotherapeutischen Stoffen Antimikrobielle chemotherapeutische Agenzien: synthetische Wirkstoffe und Antibiotika
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Antibiotika Antibiotika werden von bestimmten Mikroorganismen (z.B. Pilzen oder Streptomyces) produziert und töten andere Mikroorganismen ab Streptomyces auf der Platte mit anderen Bakterien
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Resistenz gegen antimikrobielle Medikamente Resistenzmechanismen: Antibiotika wirken nicht (z.B. keine Zellwand) Antibiotika gelangen nicht in die Zelle
Resistenzausbreitung
Zielmolekül ist mutiert Antibiotika werden inaktiviert Antibiotika werden ausgepumpt
Resistenzgene (oft kodiert von Plasmiden)
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Entwicklung von neuern antimikrobiellen Medikamenten Neue Analoga bereits existierender Medikamenten -> chemische Modifikationen (gezielt oder kombinatorisch)
106 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 Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Phagen und andere Bakterien als antibakterielle Angenzien Phagentherapie wird bereits angewendet Bakterientherapie: Lebenszyklus von Bdellovibrio bacteriovorus
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Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und höheren Organismen Normale Flora: Haut, Mund, Magen-Darm-Trakt, Atmungswege, Genitalien Abstrich der Zunge
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Normale Flora im Magen-Darm-Trakt Nützliche Funktionen: Vitaminsynthese (B12, K); Steroidaktivierung
1013-1014 Bakterien
Schutz vor Pathogenen -> Probleme mit Antibiotikabenützung; Probiotika Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Bakterielle Krankheiten Beispiele: Cholera Diphtherie Lepra Magengeschwüre Meningitis Milzbrand Pest Syphilis Tetanus Tuberkulose Typhus
-> Vibrio cholerae -> Corynebacterium diphtheriae -> Mycobacterium leprae -> Helicobacter pylori -> Neisseria meningitidis -> Bacillus anthracis -> Yersinia pestis -> Treponema pallidum -> Clostridium tetani -> Mycobacterium tuberculosis -> Salmonella typhi
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Bakterielle Infektion Frühe Stadien der Infektion im Darm
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Virulenzfaktoren Virulenzfaktoren von Salmonella
Funktionen von Virulenzfaktoren: ermöglichen Infektion der Wirtszellen und Geweben; hemmen Immunantwort; schwächen das Organismus Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Sekretionssysteme Type III Sekretionssystem (Injectosome)
Infektionsfaktoren werden in die Wirtszellen spezifisch eingebracht
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Toxine Toxine: toxische Substanzen 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
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Enterotoxine Toxine, die im Darm wirken Enterotoxin von Vibrio cholerae führt zu Diarrhea (Wasserverlust) durch die Aktivierung vom Enzym Adenylatcyklase
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Diagnostik von Pathogenen Isolierung und Charakterisierung von pathogenen Mikroorganismen (z.B., AntibiotikaEmpfindlichkeit)
Immunologischer Nachweis Nachweis durch die DNA-Amplifikation (PCR)
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Immunologische Diagnostik Fluoreszenzmarkierten Antikörper
ELISA
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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
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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
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Bedeutung der Mikroorganismen in der Biosphäre Karbonzyklus
Karbonzyklus: Fixierung von CO2 und Abbau vom organischen Material
Stickstoff-, Schwefel-, und Eisenzyklen Fixierung von N2
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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
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Stickstofffixierung Fixierung von N2 in der Landwirtschaft:
-> Symbiose zwischen leguminosen Pflanzen (Sojabohnen, Klee, Luzerne etc) und Bakterien (Rhizobium etc) Sojabohnen auf Stickstoffarmen Boden Wurzelknöllchen
Ohne Knöllchen
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Mit Knöllchen
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Erkennung des Partners Austausch von Signalmolekülen: -> Wurzeln leguminoser Pflanzen scheiden Flavonoide aus -> Bakterien scheiden Nod-Faktoren aus
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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
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Bacteroide und Stickstofffixierung
Symbiotische Stoffaustausch: Pflanze->Bacteroid: organische Säuren; niedrige Niveaus von Sauerstoff Bacteroid->Pflanze: Ammoniak
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Industrielle Mikrobiologie Industrielle Produkte von Mikroorganismen: -> Enzyme -> Antibiotika -> Steroide -> Lebensmittelzusatzstoffe (z.B. Aminosäuren) -> Chemikalien (z.B. Alkohol, Zitronensäure)
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Lebensmittelindustrie Produktion von Wein, Bier, Essig Weinproduktion durch Weinhefe (Saccharomices ellipsoideus)
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Biotechnologie Herstellung von Säugetierproteinen und Impfstoffen durch genetisch Herstellung eines Hormons veränderte Mikroorganismen: -> Hormone und andere therapeutische Proteine -> Impfstoffe Klonierung fremder Gene
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Gentechnik in der Landwirtschaft Benützung von Agrobacterium tumefaciens für Gentransfer in die Pflanzen
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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
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