Bakterielle Physiologie, Viren und Antibiotika

Bakterielle Physiologie

Bakterienkulturmedien sind wässrige Lösungen aus Salzen und organischen Mineralstoffen, die den chemischen Anforderungen entsprechen, die Bakterien für ihren Stoffwechsel, ihr Wachstum und ihre Vermehrung benötigen. Bakterienkulturmedien werden als flüssige Medien in Reagenzgläsern vorbereitet, in denen die Bakterienproben kultiviert werden. Für den Transport der Proben werden spezielle Kulturmedien verwendet. Bakterien erfüllen, wie jedes Lebewesen, die Funktionen der Ernährung, Interaktion und Fortpflanzung.

Funktionen der Ernährung

Bakterien können verschiedene Arten des Stoffwechsels durchführen:

• Fotoautotrophe: Grüne Bakterien, Cyanobakterien.
• Fotoheterotrophe: Benötigen Lichtenergie, aber auch organische Moleküle.
• Chemoautotrophe: Zum Beispiel Nitrifikanten.
• Chemoheterotrophe: Nutzen organische Verbindungen als Energiequelle.

Interaktionsfunktionen

Viele Bakterienarten besitzen Mobilität. Die Fortbewegung kann durch Gleiten auf einem festen Substrat mittels Kontraktion und Dilatation oder durch Geißeln erfolgen. Eine der bekanntesten Reaktionen auf Umweltveränderungen ist die Bildung von Sporen, die als Widerstandsformen dienen.

Fortpflanzungsfunktionen

Die Vermehrung der Bakterien erfolgt asexuell durch Zweiteilung oder Spaltung. Diesem Prozess geht eine Verdoppelung der bakteriellen DNA und die anschließende Trennung der beiden Moleküle voraus. Die Tochterzellen sind genetisch identische Bakterien, sodass Bakterienkolonien aus klonischen Individuen bestehen.

Bakterien besitzen zudem Mechanismen zur sogenannten parasexuellen Reproduktion, durch die sie genetische Informationen mit anderen Bakterien derselben Spezies austauschen. Es gibt drei Arten dieser Austauschmechanismen:

• Konjugation: Ein Geber-Bakterium überträgt DNA durch einen Sexpilus auf ein Empfänger-Bakterium. Geber-Bakterien besitzen Plasmide (F-Faktoren), die Gene für die Produktion der Sexpili enthalten. Bakterien mit Plasmiden werden als F⁺ bezeichnet, solche ohne als F^-. Manchmal integriert sich das F-Plasmid in die bakterielle DNA; diese Bakterien werden Hfr-Zellen genannt.
• Transduktion: Ein Phänomen des Genaustauschs durch eine zufällige Übertragung mittels Viren (Bakteriophagen), die DNA-Fragmente von einem Bakterium zum nächsten tragen.
• Transformation: Ein Prozess, bei dem ein Bakterium DNA-Fragmente aus der Umgebung aufnimmt, die durch die Lyse anderer Bakterien freigesetzt wurden.

Viren

Viren sind mikroskopische Partikel, die aus einer einfachen Nukleinsäure (virales Genom) bestehen, die von einer Proteinhülle (Kapsid) und manchmal einer Membranhülle umgeben ist. Ihnen fehlt eine Zellstruktur sowie ein Zytoplasma mit den notwendigen Enzymen für einen eigenen Stoffwechsel. Extrazelluläre Viruspartikel werden Virionen genannt und sind völlig inert.

Viren sind in der Lage, an die Oberfläche anderer Zellen (Wirtszellen) zu binden und ihr Genom (DNA oder RNA) einzuschleusen. Sie können die Kontrolle über die Zelle übernehmen, die zelluläre DNA zerstören und die Synthese neuer Viren unter Nutzung der Energie und Enzyme der Wirtszelle erzwingen. Viren sind viel kleiner als Zellen und messen normalerweise nicht mehr als 2500 Å.

Die Struktur des Virus

Ein Virus kann in drei Teile unterteilt werden: das virale Genom, das Kapsid und die Membranhülle.

• Das virale Genom: Besteht aus einem oder mehreren Molekülen DNA oder RNA. Die Nukleinsäure kann als Strang oder geschlossener Ring vorliegen.
• Das Kapsid: Die Proteinhülle, die das Genom umgibt. Es schützt die Nukleinsäure und erkennt bei Viren ohne Membranhülle die Rezeptoren der Wirtszellen. Die Einheit aus Kapsid und Genom wird Nukleokapsid genannt. Kapsidtypen sind: ikosaedrisch, schraubenförmig oder komplex.
• Die Membranhülle: Umgibt das Nukleokapsid. Sie kommt bei Viren wie Tollwut, Hepatitis, Grippe, Pocken und AIDS vor. Diese Hülle besteht aus einer Lipiddoppelschicht der Wirtszelle und viralen Glykoproteinen, die der Erkennung und dem Eindringen in neue Wirtszellen durch Phagozytose dienen.

Viroide und Prionen

• Viroide: Kleine RNA-Moleküle ohne Hülle, die hauptsächlich Pflanzen infizieren.
• Prionen: Proteine mit einer abnormalen Faltung, die trotz ähnlicher Aminosäuresequenz wie normale Proteine infektiös wirken.

Der Zyklus von Viren

Im Lebenszyklus lassen sich folgende Phasen unterscheiden:

1. Fixierung oder Adsorption
2. Penetration
3. Replikation des Genoms und Synthese der Kapsomere
4. Zusammenbau neuer Viren
5. Lyse und Freisetzung

Lytischer Zyklus des Bakteriophagen T4

Der Bakteriophage T4 ist ein komplexes Virus mit Kopf und Schwanzteil. Das Genom besteht aus doppelsträngiger DNA. Der Zyklus wird lytisch genannt, da er zur Zerstörung (Lyse) der Wirtszelle führt:

1. Fixierungsphase: Der Phage bindet mit den Schwanzfasern chemisch an die Bakterienwand.
2. Penetrationsphase: Durch das Enzym Lysozym wird die Zellwand durchbohrt und die DNA in das Bakterium injiziert.
3. Eklipse-Phase: Die virale DNA steuert die Synthese viraler mRNA und repliziert sich mithilfe bakterieller Enzyme.
4. Reifungsphase: Die neu gebildeten Kapsomere setzen sich zu Kapsiden zusammen und die DNA wird darin verpackt.
5. Freisetzungsphase: Durch das Enzym Endolysin platzt das Bakterium auf, und die neuen Virionen werden freigesetzt.

Die Produktion von Antibiotika

Die industrielle Produktion von Antibiotika hat seit den 1950er Jahren in der Medizin stark an Bedeutung gewonnen. Zu den Erfolgsfaktoren zählen:

• Die Entdeckung mikrobieller Spezies mit hoher Produktionskapazität.
• Die Verbesserung der Kulturmedien und die Entwicklung moderner Kulturtechniken.
• Die Selektion von Mutanten unter den Mikroben, die fähig sind, größere Mengen an Antibiotika zu produzieren.
• Verbesserte Methoden zur Extraktion und Reinigung des Antibiotikums aus dem Gemisch.