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Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Vorlesungsthemen <strong>Mikrobiologie</strong>1. Einführung in die <strong>Mikrobiologie</strong> B. Bukau2. Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau3. Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau4. Bakterielle Genetik und Evolution V. <strong>Sourjik</strong>5. Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. <strong>Sourjik</strong>6. Medizinische <strong>Mikrobiologie</strong> V. <strong>Sourjik</strong>7. Gentechnik und industrielle <strong>Mikrobiologie</strong> V. <strong>Sourjik</strong>Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 1
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Vielfalt und Taxonomie von prokaryotischenMikroorganismenKlassische (konventionelle) Taxonomie beruht auf den phenotypischenCharakteristiken der Mikroorganismen:1. Morphologie2. Motilität3. Stoffwechsel4. PhysiologieVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 2
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>ZellmorphologieVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 3
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>ZellwandstrukturGramfärbungKristallviolett/EtOHFluoreszenzfarbstoffVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 4
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>OberflächenstrukturenFlagellen (Geißeln)Fimbrien / PiliPeritrichousPolarLophotrichousVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 5
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Koloniemorphologie und SporenbildungKoloniemorphologieSporenbildung/FruchtkörperSporophorenMyxosporen imFruchtkörperEndosporenVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 6
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Lebenszyklus von Myxococcus xantusVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 7
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Zelleinschlüsse und weitere StrukturenPHB-GranulaMagnetosomenSchwefelkügelchenGasvesikelInterne MembranenVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 8
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>SchwimmenMotilitätGleitenSchwärmenVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 9
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>PhototrophiePhotosynthese -> anoxygen oder oxygenPurpurbakterienCyanobakterienVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 11
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>ChemoorganotrophieGärungAerobe AtmungAnaerobe AtmungVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 12
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Quellen von Kohlenstoff und anderen Stoffen Kohlenstoffquellen:Autotroph -> kann CO 2 als einzige Kohlenstoffquelle benützenViele Phototrophe und Chemolithotrophe sind autotrophHeterotroph -> braucht organische Stoffe als KohlenstoffquelleAlle Chemoorganotrophe sind heterotroph Quellen anderer Stoffe:Welche Verbindungen von Schwefel, Eisen, Stickstoff werden benützt Stickstofffixierung: Fixierung vom gasförmigen Stickstoff (N 2 )Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 13
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Physiologie: Optimale WachstumsbedingungenSauerstoff: aerob; anaerob; fakultativ aerob; mikroaerophilaerobanaerob fakultativaerobmikroaerofilanaerob(aerotolerant)Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 14
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Physiologie: Optimale WachstumsbedingungenTemperatur: psychrophil; mesophil; (hyper)thermophilExtremophile(Archaea)Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-Allianz
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Effekte der Temperatur auf WachstumVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-Allianz
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Adaptation zu niedrigen und hohen TemperaturenPsychrophileProteine: weniger stabilMembrane: flüssigerThermophileProteine: stabilerMembrane: weniger flüssig;Lipideinzelschicht (Archaea)Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-Allianz
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Physiologie: Optimale WachstumsbedingungenpH: azidophil (bis 0); alkaliphil (bis 12)Luftdruck: barophil (bis 1000 Atm)Salz: halophil (bis 32% NaCl)Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-Allianz
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Probleme der konventionellen Taxonomie Morphologie und Physiologie korrelieren nur bedingtmit der evolutionären VerwandtschaftEng verwandte Purpurbakterien Viele Prokaryoten sind nicht kultivierbarVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 19
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Moderne Systematik: PhylogenieAnalyse der evolutionären Verwandtschaft durch Sequenzvergleich16S/18S rRNA für globale Analysen; anderer schneller evolvierenden Gene für lokaleAnalysen16S/18S rRNAAnnahme: je ähnlicher (identischer) die Sequenzen, desto enger verwandt sind die SpeziesPhylogenetische (Stamm)bäumeDurch die Annahme einerkonstanten Evolutionsratevon einem Gen können diephylogenetische Abstände(Sequenzdifferenzen) inZeit umgerechnet werdenPhylogenie = evolutionäre StammesgeschichteVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 20
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Universaler Stammbaum16S/18S rRNA Analyse führt zu einem universalem StammbaumErst durch solche phylogenetische Analyse wurden Archaea als eine separate Domäne erkanntVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 21
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Definition der Arten (Spezies) in der <strong>Mikrobiologie</strong> Klassische Definition der Arten (reproduktive Isolation) kann aufProkaryoten nicht angewandt werden (keine sexuelle Reproduktion) Definition einer Art bei Prokaryoten:eine Gruppe von Stämmen mit großer ÄhnlichkeitFrüher -> aufgrund der phenotypischen MerkmaleModern -> Ähnlichkeit der 16S rRNA Sequenz: Taxonomische Hierarchie für Prokaryoten:>97% -> eine Art zwei ArtenDomäne(Reich)Phylum Klasse Ordnung Familie Gattung ArtBacteria Proteobacteria γ-Proteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia coliVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 22
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Wichtigste Phyla von BakterienThermophileAnoxygen phototropheOxygen phototropheInsgesamt ca. 80 Phyla erkannt (viele aber nicht kultivierbar)Victor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 23
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Wichtigste Phyla von ArchaeaVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 24
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Gemeinschaften von Mikroorganismen Konventionelle Analyse setztKultivierbarkeit voraus-> ReinkulturReinkultur: auf der Plattein der Flüssigmedium Viele Mikroorganismen leben inGemeinschaften; Mikroorganismenhängen oft metabolisch von einanderab (Syntrophie)Nanoarchaeum (rot)und Ignicoccus (grün)Gemeinschaft imKlärschlamm-> nur einige Prokaryoten können kultiviert werdenVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 25
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Analyse von Gemeinschaften1. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH):Hybridisierung mit Fluoreszenzsondengegen 16S rRNAMetagenomics2. Sequenzierung aller 16S rRNA Gene3. Sequenzierung aller Genome-> MetagenomicsErgebniss:-phylogenetische Analyse aller Arten in derGemeinschaft-Häufigkeit der Arten-Analyse von Stoffwechsel und –transport in derGemeinschaf-Identifizierung neuer Arten und neuer GeneVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 26
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Wachstum auf den Oberflächen: Biofilme Die meisten Bakterien wachsen natürlich auf den OberflächenBiofilm Biofilme können aus einer oder mehreren Arten bestehen Bakterien in Biofilmen sind resistenter gegenSchadstoffen (z.B., Antibiotika oder Schwermetalle) Biofilme stellen ein großes Problem in der Medizin undIndustrie darVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 27
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>BiofilmbildungAdhäsion Kolonisation EntwicklungKolonisationsstadiumBiofilm von Pseudomonas aeruginosaEntwicklungsstadiumVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 28
Fakultät für Biowissenschaften, WS 20<strong>09</strong>/10Grundvorlesung Biologie I, Teil <strong>Mikrobiologie</strong>Zell-Zell Kommunikation: Quorum sensing Viele Bakterien können miteinander „kommunizieren“ Einfachste Form ist Quorum sensing -> Messung eigener ZelldichteKontrolle der Liminiszenzbei Vibrio fisheri Weitere Signale werden zwischen verschiedenen Bakterienarten ausgetauschtVictor <strong>Sourjik</strong>, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-<strong>ZMBH</strong>-AllianzSeite 29
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