Mikrobiologie Vorlesung 1 Bukau WS09 - zmbh.uni-heidelberg.de · Fakultät für Biowissenschaften,...

Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10

Seite 1B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg,

Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie

DKFZ-ZMBH-Allianz

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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Einführung in die Mikrobiologie

1. Geschichte der Mikrobiologie

2. Charakteristika und Bedeutung von Mikroorganismen

3. Klassifizierung von Mikroorganismen

4. Unterschiede zwischen Bakteria und Archaea




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Robert Hooke: Entdecker der Mikroorganismenund Zellen (Jahr 1654)

Das Mikroskop von Hooke

Linse des Objektivs am Ende eines verstellbaren Blasebalgs (G)

Licht wurde durch eine einzige Linse auf das Objekt fokussiert

Zeichnung von Hooke der Fruchtkörper eines blauen Schimmelpilzes, der auf der Oberfläche von Leder wuchsMicrographia, 1654




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Antoni van Leeuwenhoek:Entdecker der Bakterien (Jahr 1684)

van Leeuwenhoek am Mikroskop sein Mikroskop seine veröffentlichten Beobachtufngen




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Louis Pasteur

Institut Pasteur, Paris

Widerlegung der Spontanzeugung

Entwicklung effektiverSterilisierungsverfahren (Pasteurisierung)

Entwicklung von Impfstoffen (1880-90;Milzbrand, Geflügelcholera, Tollwut)

Entdeckung der Milchsäurebakterien

Fermentation als ein Prozess, der durchLebewesen erzeugt wird (Hefen)

Grundlagen der Stereochemie

Symbole seiner Bedeutung




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Pasteur: Widerlegung der Theorie der Spontanzeugung

Aus Samen und Keimen?

Oder aus unbelebter Materie?

(a) Sterilisierung des Inhalts

(b) Aufrechte Haltung: kein mikrobielles Wachstum

(c) Wenn Kontakt mit Mikroorganismen im Kolbenhals:mikrobielles Wachstum

Pasteur’s Experiment mit dem Schwanenhalskolben




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Robert Koch

Entdeckung des Milzbrand(Anthrax)-Erregers (1876)

Entdeckung des Tuberkuloseerregers (1882)

Entdeckung des Choleraerregers (1884)

Nobelpreis für Medizin (1905)

Die Koch´schen Postulate

Begründer der modernen Bakteriologie und klinischen Infektiologie




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Die Koch´schen Postulate: Nachweis, daß ein spezifischerMikroorganismus eine spezifische Erkrankung bewirkt

1. Der mutmaßliche Erreger muss immer mit derKrankheit assoziiert sein und in gesunden Tierennicht nachgewiesen werden

2. Der mutmaßliche Erreger muss in Reinkulturgezüchtet werden

3. Eine Reinkultur des mutmaßlichen Erregersmuss im gesunden Tier die Krankheit auslösen

4. Der Organismus muss reisoliert werden undidentisch mit dem ursprünglichen Erreger sein

Die Koch´schen Postulate




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Agarplatten und Reinkultur

Agarplatte mit Kolonienvon Marinebakterien

Jede Kolonie enthält Millionen Bakterien, die von einer Zelle abstammen (Klon)

Ausstrich von Bakterien,die Urinalinfektionen erzeugen




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Die zehn wichtigsten Todesursachen in den USA

Vor 100 Jahren waren Infektionserkrankungen (rot) d ie wichtigste Todesursache




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Genomsequenzierung von Mikroorganismen

Erstes Genom (1977): Bacteriophage φX174

nur 10 Gene

1980 Nobelpreis für Chemie anFred Sanger, Walter Gilbert, Paul Berg:Methode zur DNA Sequenzierung

Fred Sanger




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Genomsequenzierung von Mikroorganismen

Erstes Bakterium (1995): Haemophilus influenzae

Creg Venter




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Meilensteine der molekularen Mikrobiologie seit 1985




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Charakteristika von Mikroorganismen

Sind Ursprung aller Lebensformen

Sind phylogenetisch diverser als Pflanzen und Tiere

Bilden Hauptanteil an gesamter Biomasse und sind weit verbreitet:wachsen überall wo Wasser vorhanden ist, die meisten unterhalb der Erdoberfläche

Sind essentiell für die Nahrungskette

Transformieren die Geosphäre

Beeinflussen das Klima

Nehmen an zahlreichen Symbiosen mit Tieren, Pflanzen und Mikroben teil

Verursachen Erkrankungen




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Bedeutung von Mikroorganismen für den Menschen




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Leben auf der Erde begann mit Mikroorganismen

Zelluläres Leben existiert auf der Erde seit 3.8 Milliarden Jahren

Cyanobacterien brachten O2 in die Atmosphäre (3 bya);

heutige O2 Konzentrationen erst vor 500–800 Millionen Jahren

(bya: billion years ago) Purpurbakterien: die ersten Phototrophen

Cyanobakterien: die ersten O2 produzierenden Phototrophen

Während 80% der Zeit, in der Leben aufder Erde existiert, gab es nur Mikroben




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Was ist ein Mikroorganismus (Mikrobe)?

mikroskopisch kleinaber stark unterschiedliche Größe, manchmal sogar sichtbar

meist Einzeller, einige sind Mehrzeller

Prokaryoten: BakterienArchaea

Eukaryoten: viele Pilzemikroskopische AlgenProtisten (Protozoen)Viren (Je nach Definition des Begriffs Lebewesen: Stoffwechsel!)

Schwierigkeiten in der Einteilung:einige nicht freilebend sondern obligat intrazelluläre Parasiten (Mycobacterium leprae)einige Gruppen schwer abzugrenzen, z.B. weil sie große Verwandte haben:

(Pilze: Hefen sind Mikroorganismen, Eßpilze nicht)




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Riesenmikroben: die größten einzelzelligenOrganismen der Welt

das größte Bakterium:Thiomargarita namibiensis

die größte einzellige Alge:Caulerpa taxifolia




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Klassifizierung der Mikroben

Hauptprobleme:

Lichtmikroskop geringe Auflösung und keine Kultivierbarkeit.

Mikroben passen schlecht in klassische Definition einer Spezies(Gruppe von Organismen, die sich kreuzen):Meist asexuelle Reproduktion, nur seltener sexueller Austausch, und wenndann auch mit entfernt verwandten Mikroben

Fortschritte: Biochemische Eigenschaften: MetabolismusElektronenmikroskopie: Ultrastruktur der ZellenDNA Sequenzierung: rRNA

Moderne Definitionen basieren auf genetischen Ähnlichkeiten/Unterschieden




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Der Stammbaum des Lebens

19. Jahrhundert Zwei Domänen:Tiere und Pflanzen

19./20. JahrhundertErnst Haeckel (1834-1919) Drei Domänen:

Tiere, Pflanzen, Monera (Mikroorganismen)

20. JahrhundertHerbert Copeland (1902-1968) Vier Domänen:

Tiere, Pflanzen, Protisten, Bakterien

Robert Whittaker (1924-1980) Fünf Domänen:Tiere, Pflanzen, Protisten, Pilze, Bakterien

Carl Woese (1977) Drei Domänen:Bacteria, Archaea, Eukarya




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Bacteria und Archaea

Moderne Definition auf Basis der 16S-ribosomalen RNAals evolutionärer, molekularer Zeitmesser: Entdeckung der Archaea(Carl Woese, 1970er)

=Makroorganismen




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Mikroorganismen leben in Gemeinschaften

in Klärschlammin einem See

(mit verschiedenen Farbstoffen gefärbt,basierend auf rRNA-Bindung)

Population: Zellen, die inZusammenschlüssen leben

Habitat: Ort, an dem eine Population lebt

Mikrobielle Gemeinschaft: Summe derPopulationen verschiedenerMikroorganismen in einem Habitat




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Bacteria und Archaea

Unterschiede in Zellwand und Membranen; einige Zellformen sind aber ähnlich(Stäbchen, Kokken)

Alle krankheitserregenden Prokaryoten (bei Mensch Tier, Pflanze) sind Bakterien

Bakterien sind sensitiv gegenüber Antibiotika; Archaea sind nicht sensitiv gegenübervielen Antibiotika

Archaea sind Eukaryoten ähnlicher als es Bakterien sind (z.B. viele Protein- undNukleinsäure-synthetisierenden Enzyme)

Typische Bakterien: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilisTypische Archaea sind extreme Thermophile und Methanproduzenten

Archaea und Bacteria bilden heterogene und große Domänen mit verzweigtenStammbäumen

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