Ein wenig Mikrobiologie
Dr. Frank StahlDr. Frank Stahl
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Einteilung
PflanzenPflanzen BotanikBotanik
Tiere Tiere ZoologieZoologie
Bakterien, Bakterien, MikrobiologieMikrobiologieViren, BakteriophagenViren, Bakteriophagenmit Einschränkungen.mit Einschränkungen.evtl. Pilzeevtl. Pilze
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Einteilung nach Nahrungs- und Energiequelle
Licht phototrophEnergiequelle
Licht phototroph
Chemie chemotrophChemie chemotroph
organotroph lithotroph
K hl t ff ll
autotroph
Kohlenstoffquelleheterotroph
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P k tProkaryonten
Bakterien BlaualgenBlaualgen (Cyanobakterien)
A h b kt i E b kt iArchaebakterien(Extremophile)methanogen, halo,
thermo acido
Eubakterien
thermo-acido
Gram negativ Gram positiv
Sporenbildner, z.B. Bacillus
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Viren / Bakteriophagen
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Prokaryonten
B B kt i (B d W l b O i )B B kt i (B d W l b O i )z.B. Bakterien (Boden, Wasser, leb. Organismen) z.B. Bakterien (Boden, Wasser, leb. Organismen)
undund ArchaeaArchaea (Sümpfe, Tiefsee, Salzlake, saure(Sümpfe, Tiefsee, Salzlake, saureund und ArchaeaArchaea (Sümpfe, Tiefsee, Salzlake, saure (Sümpfe, Tiefsee, Salzlake, saure
Quellen)Quellen)
-- kein Kern, einfach, kleinkein Kern, einfach, klein
-- Unterteilung nach Form und Färbbarkeit nach Unterteilung nach Form und Färbbarkeit nach
Gram (gramGram (gram positiv oder grampositiv oder gram negativ)negativ)Gram (gramGram (gram--positiv oder grampositiv oder gram--negativ)negativ)
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Färbung von Bakterien nach Gram
Die nach dem dänische Mikrobiologen benannte Die nach dem dänische Mikrobiologen benannte
Färbung (1884) beruht auf Dicke der Zellwand (bestehtFärbung (1884) beruht auf Dicke der Zellwand (bestehtFärbung (1884) beruht auf Dicke der Zellwand (besteht Färbung (1884) beruht auf Dicke der Zellwand (besteht
aus Peptidoglycan/Murein)aus Peptidoglycan/Murein)
GramGram negative Bakterien besitzen auch äußerenegative Bakterien besitzen auch äußereGramGram--negative Bakterien besitzen auch äußere negative Bakterien besitzen auch äußere
MembranMembran
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Antibiotika Resistenzen
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Bakterien
KokkenKokken (kugelförmig)(kugelförmig)itiiti St tSt t St h lSt h lgramgram--positiv: positiv: StreptococcusStreptococcus, , StaphylococcusStaphylococcus
gramgram--negativ: negativ: NeisseriaNeisseriaStäbchenStäbchen gestreckt zylinderförmiggestreckt zylinderförmigStäbchenStäbchen, gestreckt zylinderförmig, gestreckt zylinderförmig
gramgram--positiv: positiv: BacillusBacillusgramgram--negativ:negativ: PseudomonasPseudomonas,, EscherichiaEscherichiagramgram negativ: negativ: PseudomonasPseudomonas, , EscherichiaEscherichia
Gekrümmte StäbchenGekrümmte Stäbchen/flexible Zellen/flexible Zellengramgram--positiv:positiv:gramgram--negativ: negativ: SpirelliumSpirellium
SondergruppenSondergruppen: gleitende Bakterien, Bakterien mit : gleitende Bakterien, Bakterien mit Anhängseln, parasitische Bakterien, Bakterien ohne Zellwand Anhängseln, parasitische Bakterien, Bakterien ohne Zellwand ((MycoplasmaMycoplasma--Gruppe), Gruppe), phototrophephototrophe Bakterien (betreiben Bakterien (betreiben Photosynthese z.B.Photosynthese z.B. CyanobakterienCyanobakterien/Blaualgen)/Blaualgen)
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Photosynthese z.B. Photosynthese z.B. CyanobakterienCyanobakterien/Blaualgen)/Blaualgen)
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Einsatzgebiete von BakterienEinsatzgebiete von Bakterien
•Landwirtschaft (Bioinsektizide, Futtermittelkonservierung)
•Umweltbiotechnologie (Entschwefelung von Kohle, Reinigung von Abwässer Abluft)Reinigung von Abwässer, Abluft)
•Gentechnik (Standardorganismus E. coli)Gentechnik (Standardorganismus E. coli)
•Pharma (Antibiotika, Insulin, Vitamine, Steroide)
•Chemie (Aceton, Butanol, Aminosäuren)
•Sonstige (Waschmittelenzyme, Kosmetik)
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Extremophile
ArchaeaArchaea („(„ExtremophilesExtremophiles“)“)
MethanogeneMethanogene BakterienBakterienMethanogeneMethanogene BakterienBakterien
HalobakterienHalobakterien
thermothermo--acidophileacidophile BakterienBakterien
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Eukaryonten
Metazoa
Protozoa
Metazoa
(einzellige Eukaryonten, Protisten)
Flagellata,z.B. Euglena
Rhizopoda,z.B. Amöbe
Sporozoa,z.B. Plasmodium
Ciliata,z.B. Pantoffeltierchen
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Algen und Protozoen
Algen: können als primitive Pflanzen angesehen Algen: können als primitive Pflanzen angesehen werden, sind hochkomplexe organische werden, sind hochkomplexe organische Verbindungen, nutzen Sonnenenergie ubiquitärVerbindungen, nutzen Sonnenenergie ubiquitär
Protozoen: können als einfache Tiere angesehen Protozoen: können als einfache Tiere angesehen werden (oft pathogen z B afrikanischewerden (oft pathogen z B afrikanischewerden (oft pathogen z.B. afrikanische werden (oft pathogen z.B. afrikanische Schlafkrankheit), Amöben zählen auch zu dieser Schlafkrankheit), Amöben zählen auch zu dieser Gruppe (sind interessant bei Abwasserbehandlung)Gruppe (sind interessant bei Abwasserbehandlung)Gruppe (sind interessant bei Abwasserbehandlung)Gruppe (sind interessant bei Abwasserbehandlung)
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Gegenüberstellung Unterschiede Gegenüberstellung Unterschiede g gg gProPro-- und und EukaryontenEukaryonten
Prokaryonten Bakterien und Cyanobakterien
Eukaryonten Protisten, Pilze, Pflanzen und
TiereTiereDNA als ringförmig
geschlossener Strang frei im Cytoplasma
echter Zellkern mit Chromosomen
Cytoplasmakeine Organellen Organellen (Mitochondrien,
Chloroplasten, Endoplasmatisches p
Retikulum) kleine Ribosomen große Ribosomen
morphologisch gering differenziert
Zunehmender Diffenrenzierungsgrad von Einzelzelle zu Organismus
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e e e u O ga s us
Gegenüberstellung Unterschiede Gegenüberstellung Unterschiede g gg gProPro-- und und EukaryontenEukaryonten
Prokaryonten Bakterien und Cyanobakterien
Eukaryonten Protisten, Pilze, Pflanzen und
TiereTiereZellgröße 1-10 µm 10-100 µm
Anaerob und aerob aerob
meist einzellig meist vielzellig mitmeist einzellig meist vielzellig mit Zelldifferenzierung in
verschiedene Zelltypen RNA und Protein werden im
gleichen Kompartiment synthetisiert
RNA wird im Kern, Protein im Cytoplasma synthetisiert
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synthetisiert
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Mikrobielles Wachstum
EinflußgrößenEinflußgrößenEinflußgrößenEinflußgrößen
pHpH--Wert, Temperatur, Scherkräfte, Wert, Temperatur, Scherkräfte, pp pp
chemische Komponenten, chemische Komponenten,
SauerstoffkonzentrationSauerstoffkonzentration
W h t tW h t tWachstumstypenWachstumstypen
Kohlenstoffquelle Energiequelle Quelle derKohlenstoffquelle Energiequelle Quelle derKohlenstoffquelle, Energiequelle, Quelle der Kohlenstoffquelle, Energiequelle, Quelle der
ReduktionsäquivalenteReduktionsäquivalente
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Zellzyklus ZellvermehrungZellzyklus ZellvermehrungZellzyklus, ZellvermehrungZellzyklus, ZellvermehrungMitose/MeioseMitose/Meiose
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Mitose
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Mitose: Vorgang der Kenteilung, führt bei der Teilung einer Zelle zu zwei genetisch gleichen Tochterzellen. Die Bildung von Körperzellen erfolgt durch MitMitose.
Meiose: 2 ReifeteilungenMeiose: 2 ReifeteilungenVorgang der Kenteilung, führt bei der Teilung einer Zell mit doppeltem Chromosomensatz zu Tochterzellen mit einfachem Chromosomensatz. Sie führt zu Bildung der Geschlechtszellenführt zu Bildung der Geschlechtszellen
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Intermediärstoffwechsel:
Vollständiger Umsatz der Hauptnahrungsbestandteile (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) zu Energie (ATP) und(Kohlenhydrate, Fette und Proteine) zu Energie (ATP) und Reduktionsäquivalenten (NADH)
Zunächst unterschiedliche Abbauwege:
Kohlenhydrate: Glycolyse: Verbindungen aus 3 C AtomenKohlenhydrate: Glycolyse: Verbindungen aus 3 C-AtomenFett: ß-Oxidation: Bruchstücke aus 2 C-Atomen in CitratcyklusProteine: Desaminierung: Carbonsäure geht in Citratcyklus
Dann gemeinsamer oxidativer Endabbau über Citratcyklus und At k tt CO d H OAtmungskette zu CO2 und H2O
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Die wichtigsten Stoffwechselwege im Extraktg g
Gl l Abb d P l /M h id C3 Kö• Glycolyse: Abbau der Poly/Monosccharide zu C3-Körpern
Pyruvat: Decarboxylierung unter 02 zu Acetyl-Coenzym A
• Citratcyclus: Abbau des Essigsäurerestes zu CO und H• Citratcyclus: Abbau des Essigsäurerestes zu CO2 und H
• Atmungskette: Oxidation des H zu H2O, Energiegewinnung
• Glucose wird in tierischen Zellen vollständig zu CO2 und H2O umgesetzt
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umgesetzt
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Glycolysey yPolysaccharide und Zucker werden zu Verbindungen, die aus 3 C-Atomen bestehen, abgebautg
Verläuft im Cytosol – Glucose wird zu 2 Pyruvat unter Bildung von 2 ATP und 2 NADH umgewandeltg
Funktion: Glucoseabbau zur ATP-Erzeugung und B it t ll K hl t ff ü t fü Bi thBereitstellung von Kohlenstoffgerüsten für Biosynthesen
Schrittmachender Kontrollpunkt ist die katalytische WirkungSchrittmachender Kontrollpunkt ist die katalytische Wirkung der Phosphofructokinase (Fructose- 6- Phosphat wird zu Fructose- 1,6- Bisphosphat umgewandelt)
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Glukose Glukose 6-phosphat Fruktose 6-phosphat
ATP ATP Phosphofructokinase
Fuktose 1,6-bisphosphat Glycerinaldehyd 3-phosphat
ATP
2x
Ph h t2
Phosphofructokinase
Dihydroxyaceton-Phosphat
NADH 2x
Phosphat 2x
1,3-Bisphosphylglycerat 3-Phosphylglycerat
ATP
A
2x 2x
2-Phosphylglycerat Phosphoenolpyruvat Pyruvat
ATP
ATP
2x 2x 2x
2x
Schematische Darstellung der Glykolyse.
ATP 2x
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Umsetzung der GlucoseGlukose
2 ATP 2 NAD+
Fructose 1 6Fructose- 1,6- bisphosphat
2 Pyruvat
A b A b A bAnaerobe Aerobe Anaerobehomolactische Oxidation alkoholische Fermentation Gährung
Zitronensäure- zyklus
2 NADH 2 NADH 6 O2 2 NADH
OxidativeOxidativePhosphorylierung
2 NAD+ 2 NAD+ 2 NA
2 Lactat 6 CO + 6 H O 2 CO + 2 EtOH2 Lactat 6 CO2 + 6 H2O 2 CO2 + 2 EtOH Abbaumöglichkeiten der Glukose Funktionelle Anoxybiose
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ySauerstoffschuld
Muskelkater:
Funktionsbedingte AnoxybioseFunktionsbedingte Anoxybiose
Bei zeitweiser extremer Belastung wird der O2 VerbrauchBei zeitweiser extremer Belastung wird der O2 Verbrauch derart gesteigert, dass die O2 Versorgung nicht aufrechterhalten werden kann. Im Muskel der Wirbeltiere wir dann die Glykolyse bis zum Pyruvat durchlaufen. Dies ist nur möglich, wenn für die gebildeten Reduktionsäquivalente ein WasserstoffrezeptorReduktionsäquivalente ein Wasserstoffrezeptor vorhanden ist: deshalb wird Pyruvat zu Lactat (2 ATP) umgewandelt, dass sich unter anaeroben Bedingungenumgewandelt, dass sich unter anaeroben Bedingungen als Endstoff ansammelt: der Muskel übersäuert.
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Citratcyclus
Findet in den Mitochondrien statt – Oxidation von Acetyl CoA
Pyruvat + Coenzym A Acetyl-CoA + CO2y y y 2
V ll tä di O id ti li f t 1 GTP 3 NADH 1 FADHVollständige Oxidation liefert 1 GTP, 3 NADH, 1 FADH2
Liefert auch Zwischenprodukte für Biosynthese wie SuccinylCoA für Porphyrinaufbau
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PentosephosphatwegPentosephosphatweg
Andere Möglichkeit des GlucoseabbausAblauf dieser Reaktionsserie im Cytosol
Zwei Aufgaben:
1) NADPH E fü d kti Bi th1) NADPH Erzeugung für reduktive Biosynthesen
2) Bildung von Ribose – 5 – Phosphat für
Nucleotidsynthese
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GluconeogeneseGluconeogenese
Glucoseaufbau in der Leber aus Lactat, Glycerin und AS
Glycogen-Abbau: Reservestoff von Glucose –y gverzweigtes Polymer aus Glucoseeinheiten
Beides findet bei suboptimaler Nahrungsversorgung / Hungerperioden stattHungerperioden statt
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Wi hti K t ktWichtige Knotenpunkte
•Glucose 6 Phosphat (Eingang Glykolyse)
P t (A Gl k l )•Pyruvat (Ausgang Glykolyse)
•Acetyl CoA (Eingang Citratcyklus)Acetyl CoA (Eingang Citratcyklus)
Energiebilanz:
Ei M l Gl k li f t 36 M l ATPEin Mol Glukose liefert 36 Mol ATP
nach vollständiger Oxidation
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Probleme bei der Nutzung von Bakterien in Probleme bei der Nutzung von Bakterien in der Produktion:der Produktion:
ExotoxineExotoxine und und EndotoxineEndotoxine
ExotoxineExotoxine werden von den werden von den BaketrienBaketrien aktiv abgegeben aktiv abgegeben g gg gz.Bz.B bei den Erregern von Diphterie, Tetanus und bei den Erregern von Diphterie, Tetanus und Botulismus; können durch Erhitzen abgetötet werdenBotulismus; können durch Erhitzen abgetötet werden
EndotoxineEndotoxine sind Bestandteile der sind Bestandteile der MemebranoberflächeMemebranoberflächegram negativer Bakterien, sie sind hitzeresistentgram negativer Bakterien, sie sind hitzeresistent
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EndotoxineEndotoxineLipopolysaccharide LPSLipopolysaccharide LPS
Lipid ALipid A
O
PO OH
OH
OHN
O OH
[C14]
OHN
OOH
O
HOO[C14]
[C14]
OO
OO
O
[C12]
[C14]
[ 14]
X O
OO
O
PO
OH
OH[C14]
X
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OOH
Elimination von Endotoxinen:
- Ultrafiltrationd lk li h H d l- saure oder alkalische Hydrolyse
- Oxidation mit wasserstoffperoxidAlk li- Alkylierung
- Adsorption an Aktivkohle oder Asbest- chromatographische Verfahren,
(hier insbesondere Affinitätschromatographie, Anionenaustauschchromatographie und hydrophobe Interaktionschromatographie)
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Tierische und pflanzliche ZellkulturenTierische und pflanzliche ZellkulturenppBeispiele für Einsatz von Tierzellkulturen zur Produktion von Beispiele für Einsatz von Tierzellkulturen zur Produktion von
therapeutisch wichtigen Proteinen und anderen biologisch aktiventherapeutisch wichtigen Proteinen und anderen biologisch aktiventherapeutisch wichtigen Proteinen und anderen biologisch aktiven therapeutisch wichtigen Proteinen und anderen biologisch aktiven SubstanzenSubstanzen
Protein Wirkung/Anwendung
Erythropoitin vermehrte Erythrozytenproduktion
G-CSF (Granulocyte-Colony Stimulating Factor,) gesteigerte Leukozytenbildung
Insulin Diabetes
Faktor VIII Hämophilietherapie
t-PA Herzinfarkte
Interleukine Krebstherapie
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Medizinische Biotechnologie
• Wirkstoffe, Proteine und Impfstoffe für Diagnostik , p gund Therapie
• Gentherapie
• Tissue engineering / Regenerative Medizin
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Lebensmittelwissenschafteninklusive
Zell-, Molekular-, Entwicklungsbiologiemolekulare Genetik, Biochemie
Immunologie
Tissue Engineeringg gZellkulturtechnik
MaterialwissenschaftenBioverfahrenstechnik
Klinische Disziplinenmedizinische Grundlagenfächer
experimentelle Chirurgie
• Ziel: in vitro Generation von vitalem autologen Gewebe zurR k t kti hädi t G b E h lt dRekonstruktion geschädigtem Gewebes, zur Erhaltung oderVerbesserung der Funktion geschädigter oder erkrankterOrgane
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g
MethodikMethodik
• in vitro Kultivierung von autologen Zellenauf organischen, natürlichen oder
th ti h M t isynthetischen Matrices
• in vitro Kultivierung von autologenin vitro Kultivierung von autologenZellen auf xenogenen Matrices
• Gewebezüchtung unter Verwendung embryonaler StammzellenStammzellen
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Strategien
• Zellinjektion („Zelltherapie“)j ( p )
hl t l S t• geschlossenes extracorporales System
• offenes System - biodegradables Polymer/Matrixgerüst
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Was braucht man?
ZellenZellen
PhysikalischePhysikalischeStimulation
Zell-Zell-Kontakte
Matrix Wachstumsfaktoren
Bioreaktor
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Prinzip des Tissue Engineeringp g g
Zellen * Matrix undFaktoren**
“In-vitro”Kultivierung
*** Patient
Neuronen
Hornhaut Endothelgewebe/Blutgefäße
Haut
Faktoren Kultivierung
Herzklappen
Niere
MilzLeber
Knochenmark
MuskelnBauchspeicheldrüse
Knochen
Knorpel
*Gewebezellen, Stammzellen oder embryonale Stammzellen (autolog oder allogen)**Natürlich, synthetisch oder xenogenisch, Wachstums/Differenzierungs/Vaskularisierungsfaktoren, Cytokine y g g g y***statisch, unter Rühren oder dynamische Fliessbedingungen
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