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Zellwachstum und Zweiteilung!Wachstum in der Mikrobiologie = Zunahme der Zellzahl!!Zellen haben begrenzte Lebensdauer, d. h.!
!Erhalt der Population nur durch Wachstum!!bei den meisten Prokaryoten:!
!Vermehrung durch Wachstum einer einzelnen Zelle und!!Zweiteilung
Septum
Zytoplasma (grün) Zellwand (rot)
Zweiteilung!DNA-Replikation!!Verdopplung der Zelllänge !Septumbildung:!inneres Wachstum von !Zellwand & Cytoplasma-!membran!!Teilung!!1 Generation = Zeit, !die 1 Zelle benötigt, !um 2 Zellen zu bilden!abhängig von Nahrung & !genet. Faktoren!
Zellteilung: Fts Proteine!Fts = filamentous temperature-sensitive!beschreibt Eigenschaften von Mutanten in Fts Genen!!Mutanten können sich nicht teilen !Fts Proteine bei allen Prokaryonten, !!Fts Proteine bauen den!
Zellteilung: Fts Proteine!Fts = filamentous temperature-sensitive!beschreibt Eigenschaften von Mutanten in Fts Genen!!Mutanten können sich nicht teilen !Fts Proteine bei allen Prokaryonten, Archaea, auch in !
!Chloroplasten & Mitochondrien!!Fts Proteine bauen den Teilungsapparat der Zelle auf:!
Zellteilung: Fts Proteine!FtsZ bildet Ring um !das Zentrum der Zelle!= Zellteilungsebene!!FtsA bindet an FtsZ,!hydrolysiert ATP, !liefert Energie für Divisom-Zusammenbau!!ZipA verankert FtsZ-Ring!in der Cytoplasmamembran!!FtsI wirkt an Peptidoglycan-!synthese mit (Penicillin target)!!Divisom leitet Synthese neuer Zellwand & Cytoplasmamembran!
Zellteilung!DNA-Replikation vor der Synthese des FtsZ-Rings!Beendigung signalisiert FtsZ assembly!!die beiden Chromosomen werden bei!Zellverlängerung auseinander gezogen FtsK beteiligt!!bei Einschnürung: Depolymerisation von!
! ! !FtsZ!
Zellteilung!bei Einschnürung: Depolymerisation von!
! ! !FtsZ!!löst Wachstum von Zellwand nach !innen aus!!FtsZ Polymerisierung/De- über!GTP Hydrolyse!!Fts Proteine wichtige targets in !klinischer Mikrobiologie!
Peptidoglykansynthese während der Zellteilung!
Peptidoglykaneinbau in der Zellteilungsebene!!A) langer Puls (min - h) ! ! ! B) kurzer Puls (sec)
! ! ! !!
Bisson-Filho et al., Science, 2017
Peptidoglykansynthese während der Zellteilung:!PG-Synthase bewegt sich mit treadmilling FtsZ/FtsA in konzentrischen Ringen!
Bisson-Filho et al., Science, 2017
treadmilling = !wie ein Laufband
Geschwindigkeit!reguliert durch!GTP-Hydrolyse
Peptidoglycansynthese & Zellteilung!wichtig: korrekte Einfügung!neuen Zellwandmaterials!ohne Strukturverlust!!Autolysine bilden kleine!Öffnungen in der Zellwand!am FtsZ-Ring!!neues Material wird hier!einfügt!Verbindung mit altem!Material bildet Wulst!!Fehler in der Verbindung:!Autolyse!
Lipidträgermolekül Bactoprenol!transportiert Peptidoglykan-!Vorläufer an der!Wachstumsstelle über die!Cytoplasmamembran!!dann: enzymatische Spaltung!des vorhandenen Peptidoglykans!und Einbau der neuen Vorläufer!in die Zellwand!
Peptidoglycansynthese!
Verbindung von 2 Muraminsäureresten benachbarter Peptido-!glycanketten!!wird durch Penicillin unterbrochen!!mehrere Penicillinbindeproteine,!Penicillin hemmt deren enzymatische Aktivität!
Peptidoglycansynthese: Transpeptidierung!
Generationszeit: Zeit, die eine Zellpopulation braucht, um sich!! ! zu verdoppeln!! ! !
abhängig von Organismus und Nährmedium, T!(Prokaryoten < Eukaryoten)!E. coli: 20 min, S. cerevisiae: 90 min!!in der Natur i. A. länger!
Wachstum von Bakterienpopulationen!
Wachstum einer Bakterienkultur!Lag-Phase: abhängig vom Inokulum (Alter, Kulturbedingungen)!exponentielle Phase: “gesündester” Zustand!stationäre Phase: Aufbrauchen von Nährstoffen und/oder !
! !Anreicherung von Abfallprodukten stoppt Wachstum!Absterben!
Messung mikrobiellen Wachstums!Zählung am Mikroskop (Phasenkontrast):!!!!!!!!!!!!Vorteil: schnell!Nachteile: lebend/nicht lebend, kleine Zellen schwer zu sehen, !
! !geringe Dichte, bewegliche Zellen!
Messung mikrobiellen Wachstums!Lebendkeimzählung +!Verdünnung:!!!Fehlerquellen:!!Nährmedium!Inkubationszeit!Koloniegrösse!!Pipettierfehler!schlechtes Mischen!
Kontinuierliche Kultur: Chemostat!
diskontinuierliche Kultur:!fixes Volumen Kulturmedium!verändert durch metabolische Aktivität der Mikroben geschlossenes System!!kontinuierliche Kultur:!offenes System mit konstantem Volumen!ständig frisches Medium zugesetzt & aufgebrauchtes entzogen!Zellzahl & Nährstoffstatus konstant = stationärer Zustand !
Kontinuierliche Kultur: Chemostat!
kontrolliert !Wachstumsgeschwindigkeit!& Populationsdichte!!!!wichtig:!Verdünnungsgeschwindigkeit!Konz. des wachstumsbegrenzenden!Nährstoffs!
in diskontinuierlicher Kultur beeinflusst Nährstoffkonzentration!die Wachstumsgeschwindigkeit & den Ertrag!!!!!!!!!!!!!!im Chemostat kann Wachstumsgeschwindigkeit über !Verdünnungsgeschwindigkeit geregelt werden & Ertrag über!Anpassung der Nährstoffkonzentration!
Chemostat im Gleichgewicht!Bakterienkonz = konstant, abhängig von Nährstoffkonz.!Wachstumsrate abhängig von Verdünnungsgeschwindigkeit!
Kontinuierliche Kultur: Chemostat!Vorteile/Anwendungen: !!Populationen über lange Zeit (Tage, Wochen) in !
!exponentieller Wachstumsphase!!(z. B. um Enzymaktivitäten zu messen)!
!mikrobielle Ökologie: !
!Nachahmung natürlicher Bedingungen!!Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften!
!Anreicherung & Isolierung spezifischer Bakterien aus !
!gemischtem Inokulum!!
!!
Umwelt & Wachstum!Wachstum ist beeinflusst von!
!Temperatur!!pH Wert!!An-/Abwesenheit von H2O!!O2!!Druck!!Strahlung!!!
!!!
TABLE 5.1 Presently known upper temperature limits for growth of living organisms Group
Upper temperature limits (°C)
Animals
Fish and other aquatic vertebratesa 38 Insects 45-50 Ostracods (crustaceans) 49-50 Plants Vascular plants 45 Mosses 50 Eukaryotic microorganisms Protozoa 56 Algae 55-60 Fungi 60-62 Prokaryotes Bacteria Cyanobacteria 70-74 Anoxygenic phototrophs 70-73 Chemoorganotrophic / chemolithotrophic 95 Bacteria Archaea Chemoorganotrophic / chemolithotrophic 113 Archaea
Umwelt & Wachstum: Temperatur!
Umwelt & Wachstum: Temperatur!Kardinaltemperaturen:!min, max, opt!!spezifisch für Organismus!beeinflusst von Nahrung!!Leben möglich zwischen !-2 und 113°C!!einzelner Organismus:!max T-Spektrum 30-40 °C!!Tmax: Denaturierung!Tmin: Membranstarre?!
Umwelt & Wachstum: Temperaturklassen!
Extrem thermophil
Bsp. mesophiler: E. coli, Tmin 8°C, Topt 39°C, Tmax 48°C!Extremophile: an beiden Enden des Spektrums!
Temperaturklassen: !Psychrophile & Psychrotolerante!
der grösste Teil der Erde ist kalt:!Ozeane Durchschnitts T = 5°C, min 1 - 3°C!Antarktis: Dauerfrost, Ozean T = -1.8 - -1.0°C!Arktis & subarktische Regionen; Permafrost!in jeder Form flüssigen Wassers kommen Mikroben vor!(auch in ‘brine channels’ im Eis)!
Psychrophile & Psychrotolerante!
sea ice core, McMurdo Sound!!!!!!!Diatomeen & Grünalgen aus!dem Eis!
Psychrophile & Psychrotolerante!Lake Bonney, Dry Valleys, Antarctica!permanent gefroren!5 m Eisdecke!Wasser 0°C!oxische & anoxische Zonen!!
Psychrophile & Psychrotolerante!niedriges T optimum (< 15°C): !
!psychrophil!!T optimum 20-40°C, !aber Wachstum bei 0°C möglich: !
!psychrotolerant!!!Bsp psychrophil: Schneealgen!
! ! !Sierra Nevada!!
Psychrophile & Psychrotolerante!
psychrotolerante:!häufiger als psychrophile!Wasser & Böden gemässigter Klimazonen!
auch: Milch, Fleisch, Käse aus dem Kühlschrank...!!!
Psychrophile & Psychrotolerante!
Molekulare Anpassungen an die Kälte:!grössere Flexibilität in Enzymen!(Sekundärstruktur, Aminosäure-Zusammensetzung)!
andere Membranzusammensetzung!!Gefrierschutz:!natürlich: Zucker, Peptide, Glycerin, Glycopeptide, !
! !Proteine!im Labor: Kryoprotektion durch DMSO, Glycerin!
Temperaturklassen: !Thermophile & Hyperthermophile!
T opt > 45°C = thermophil!T opt > 80°C = hyperthermophil!!Habitate: !Wüsten, !
! !heisse Quellen, !! !Silagen!
!Bsp: heisse Quelle, Yellowstone!!i.A.: schnelles Wachstum, ! evolutionäre Vielfalt! Bacteria & Archaea!
Temperaturklassen: !Thermophile & Hyperthermophile!
thermale Gradienten entlang heisser Quellen:!besiedelt von verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften!!Prokaryoten können bei !höheren T wachsen als Eu-!!Hyperthermophilste sind !Archaea!!nicht phototrophe können !bei höheren T wachsen als!phototrophe!!
Temperaturklassen: !Thermophile & Hyperthermophile!
Thermophile auch in Heizkesseln, Stromkraftwerken, etc...!!Molekulare Anpassungen an hohe T:!Enzyme stabiler (ionischen Bindungen, hydrophoberer Kern)!Proteinstabilisatoren im Cytoplasma, z.B. Phosphoglycerat!!spezifische Membranlipide (C40 bei Archaea, basieren auf !
! ! ! !Isopren, dadurch Lipidmonoschicht)!!!Anwendung in der Biotechnologie:!z. B. Taq-Polymerase in der Polymerasekettenreaktion!zur DNA-Amplifizierung!
pH!
innerhalb der Zelle!immer nahe pH 7!!jeder Organismus!hat ein pH Optimum!!i.A. 2-3 Einheiten!!natürlich am !häufigsten pH 5-9!
Mikrobielles Wachstum & pH!
Acidophile: pH Optimum ≤ 5!!obligat Acidophile können bei pH 7 nicht wachsen!!limitierend ist Stabilität der Cytoplasmamembran!
!Alkaliphile: pH Optimum ≥ 9!
!in Natronseen, carbonat-haltigen Böden!!bei Archaea: oft auch halophil!!Energie aus Na+ Gradienten !!(statt oder zusätzlich zur PMF)!
Mikrobielles Wachstum & Osmolarität!alle Organismen brauchen H2O!gelöste Substanzen beeinflussen Verfügbarkeit von H2O!
Mikrobielles Wachstum & Osmolarität!
H2O diffundiert aus Region mit hoher [H2O] in Region !mit niederer [H2O] = Osmose!!i.A. aus der Umgebung in die Zelle = positive H2O-Bilanz!
!!aber: in Umgebung mit geringer Wasseraktivität !
!(wenig H2O oder hohe [gelöster Stoffe]) wird !!Zellen H2O entzogen!
Wachstum & Osmolarität: Halophile!Meerwasser: 3% NaCl ! !Xerophile:!Halophile brauchen Na+ ! !leben in trockenen Habitaten!schwach Halophile 1-6%!gemässigt Halophile 7-15%!!Halotolerante können geringe!Salzkonz. überleben !extrem Halophile: brauchen!15-30% NaCl!!Osmophile: können in !zuckerreichen Habitaten!leben!
Wachstum & Osmolarität: kompatible, gelöste Stoffe!
Aufnahme von H2O aus Medium mit niedriger Wasseraktivität!durch Erhöhung der Konz. ‘kompatibler, gelöster Stoffe’ in!der Zelle, z.B.!!Pumpen anorganischer Ionen in die Zelle!Synthese oder Konzentration organischer gelöster Stoffe!!Bedingung: !keine Hemmung biochemischer Prozesse in der Zelle!!!
Wachstum & Osmolarität!‘kompatible, gelöster Stoffe’: Alkohole, Zuckeralkohole,!
! ! ! ! !aa & Derivate, K+!
Mikrobielles Wachstum & O2!Menschen: obligat aerob!Mikroben sind anders...!!O2 ist schwach löslich in H2O: !
!in der Natur viele Habitate mit wenig oder keinem O2,!!z. B. Sedimente, Moore, feuchte Böden, Darmtrakte von!!Tieren!
Kulturmethoden Aerobe & Anaerobe!in Flüssigkultur:!!O2 schnell verbraucht, nicht ausreichend Nachschub durch!
!Diffusion; aerobe Kulturen werden geschüttelt oder!!aktiv belüftet!
!Anaerobe: schwierig O2 auszuschliessen (21% in der Luft)!
!Kulturmethode hängt von der O2-Empfindlichkeit des!!Organismus ab!!Test der O2-Empfindlichkeit mit Thioglycat =!!Reduktionsmittel im Medium; !!reduziert O2 im Medium zu H2O, so dass O2 nur an !!der Oberfläche des Mediums zur Verfügung steht;!!ausserdem Redox-Indikator Resazurin:!! !mit O2 rosa, ohne O2 farblos!
Thioglycat-Medium mit Resazurin!a) aerobe!b) anaerobe!c) fakultativ aerobe!d) mikroaerophile!e) aerotolerante! anaerobe!
Kulturmethoden Anaerobe!Anaerobentopf: gasdicht!
! ! Luft durch H2 + CO2 ersetzt, Rest-O2 wird!! ! katalytisch entfernt!
streng Anaerobe (z.B. Methanogene): auch Hantieren in O2-!!freier Atmosphäre nötig: Anaerobenkammer (H2 oder N2)!
Kulturmethoden Anaerobe!Anaerobentopf: gasdicht!
! ! Luft durch H2 + CO2 ersetzt, Rest-O2 wird!! ! katalytisch entfernt!
streng Anaerobe (z.B. Methanogene): auch Hantieren in O2-!!freier Atmosphäre nötig: Anaerobenkammer (H2 oder N2)!!Medium: Kochen zur O2-Entfernung!! ! + Reduktionsmittel!! ! + Versiegelung unter O2-freiem Gas!
Toxische Formen von O2!
Nebenprodukte der Reduktion von O2 zu H2O!v.a. Superoxid & Hydroxylradikale schädigen alle organischen!
!Bestandteile der Zelle!
Enzyme, die toxische Formen !von O2 zerstören!
in Aeroben/fakultativ Aeroben!
in obligat Anaeroben: kein O2!!