Bakteriengenetik: Mutationen, Rekombination und Wachstum

Transposons und genetische Variabilität

Gene in lebenden Organismen sind nicht statisch. Unter bestimmten Bedingungen können sie ihre Reihenfolge ändern, beispielsweise durch Insertionssequenzen.

• Transposase: Ein Enzym, das den Bruch einzelner DNA-Stränge für die Insertion bewirkt.
• Springende Gene: Transposons sind DNA-Segmente, die ihre Position im Genom verändern oder zwischen chromosomalen DNA-Abschnitten und Plasmiden wechseln können.
• Bedeutung: Diese mobilen Elemente können in Plasmide integriert werden und so die Entstehung von Antibiotikaresistenzen fördern.

Mechanismen der genetischen Variation bei Bakterien

• DNA-Mutationen: Spontane oder induzierte Veränderungen der Basensequenz.
• Erwerb neuer Gene: Transformation, Konjugation, Transduktion und Transposition.

Mutagene Faktoren

• Physikalische Mutagene: UV-Licht, Röntgenstrahlen, kosmische Strahlung und Gammastrahlung.
• Chemische Mutagene: Basenanaloga, alkylierende Substanzen, Modifikatoren und interkalierende Agenzien.

Arten und Phänotypen von Mutationen

Mutationen können durch Substitution, Insertion oder Deletion von Basen entstehen.

• Substitution: Übergänge (Purin zu Purin/Pyrimidin zu Pyrimidin) oder Transversionen (Wechsel der Basengruppe).
• Insertion/Deletion: Führen zu einer Verschiebung des Leserasters, was die Aminosäuresequenz des Proteins grundlegend verändert.

Phänotypische Auswirkungen

• Verlust der Fähigkeit zur Synthese bestimmter Aminosäuren oder Vitamine.
• Erwerb von Antibiotikaresistenzen.
• Veränderungen der Zelloberfläche (z. B. Glykocalix, Flagellen).
• Verlust der Toxinsynthese (Exotoxine/Endotoxine).

Genetische Rekombination

Bei der Rekombination werden zwei genetisch verschiedene Elemente kombiniert. Dies geschieht durch drei Hauptprozesse:

• Transformation: Aufnahme freier DNA aus der Umgebung (entdeckt durch Griffith).
• Konjugation: DNA-Transfer zwischen Bakterien durch direkten körperlichen Kontakt (z. B. über Pili bei Gram-negativen Bakterien).
• Transduktion: DNA-Transfer durch Bakteriophagen (lytischer oder lysogener Zyklus).

Bakterielle Nährstoffanforderungen

Wasser und Wasseraktivität (aw)

Die Verfügbarkeit von Wasser ist entscheidend für das Überleben. Während oligotrophe Bakterien Werte nahe 1,0 aw benötigen, können xerophytische Mikroorganismen bei ca. 0,75 aw überleben.

Wichtige Nährstoffe

• CO2: Essentiell für Autotrophe (als Kohlenstoffquelle) und Heterotrophe (für Stoffwechselwege).
• Phosphate: Benötigt für organische und anorganische Prozesse; oft durch Phosphatasen extrazellulär gespalten.
• Mineralstoffe: Kationen wie K, Mg, Ca und Fe sind essenziell für Enzymaktivierungen, Ribosomenstabilisierung und als Cofaktoren.

Messung der bakteriellen Masse

Die gängigsten Methoden zur Bestimmung des Wachstums sind:

1. Trübungsmessung: Quantifizierung der Gesamtzellzahl (lebend und tot) mittels Spektralphotometer.
2. Koloniezählung (KBE): Bestimmung der lebensfähigen Bakterien durch Ausplattieren.

Die Wachstumskurve stellt den Logarithmus der Zellzahl gegen die Zeit dar. Die Generationszeit definiert die Zeit, die zur Verdopplung der bakteriellen Masse benötigt wird.

Bakterielle Genomik und Plasmide

• Bakterielles Genom: Besteht meist aus einem kovalent geschlossenen, doppelsträngigen DNA-Ring. Die Replikation erfolgt bidirektional.
• Plasmide und Episomen: Kleine, zirkuläre DNA-Elemente. Episomen können in das bakterielle Chromosom integriert werden. Sie kodieren oft für Resistenzen oder die Bildung von Pili (z. B. F-Faktor in E. coli).