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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
DKFZ-ZMBH-Allianz
Einführung in die Mikrobiologie
1. Geschichte der Mikrobiologie
2. Charakteristika und Bedeutung von Mikroorganismen
3. Klassifizierung von Mikroorganismen
4. Unterschiede zwischen Bakteria und Archaea
Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10
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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
DKFZ-ZMBH-Allianz
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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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie
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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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3. Klassifizierung von Mikroorganismen
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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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