Biotechnologie, Bakterien und Krankheiten: Ein umfassender Überblick

Biotechnologie: Grundlagen und Anwendungen

Definition der Biotechnologie

Die Biotechnologie entwickelte sich nach der Entdeckung der DNA. Sie ist eine Wissenschaft, die Prozesse zur Veränderung der genetischen Zusammensetzung von Organismen implementiert, um deren Produktivität zugunsten der Verbesserung des menschlichen Lebens zu steigern.

Gentechnisch veränderte Organismen (GVOs)

Organismen, die genetisch modifiziert wurden, um ihre Produktivität zu steigern, ihre Widerstandsfähigkeit gegen Krankheitserreger (Viren, Bakterien, Pilze usw.) zu verbessern und ihre Toleranz gegenüber verschiedenen klimatischen Faktoren zu erhöhen.

Herstellung von GVOs

Dabei werden Restriktionsenzyme bakteriellen Ursprungs verwendet, die kurze DNA-Sequenzen erkennen, diese vermehren und nach Wunsch in den Organismus integrieren, um ihn zu verändern.

Methoden der Genübertragung in Zellen

Um transgene Organismen zu erhalten, werden Restriktionsenzyme verwendet, die kurze DNA-Sequenzen erkennen und an spezifischen Stellen schneiden. Das isolierte Gen wird dann vervielfältigt und in den Organismus eingefügt, den man verändern möchte.

Genkanonen (Bioballistik)

Genkanonen: Kleine, feste Materialkügelchen, die in die Zelle geschossen werden und Kopien des Gens mit sich führen.

Injektion

Injektion: Die DNA wird mit einer sehr dünnen Nadel direkt in die Zelle injiziert.

Virusvermittelte Übertragung

Das Gen kann die Plasmamembran durchqueren und in den Zellkern gelangen. Viren können ihre DNA in die Zelle einschleusen.

Viren: Eigenschaften und Rolle

Viren: Makromoleküle, die DNA oder RNA enthalten und nur innerhalb einer Zelle Stoffwechsel betreiben können, wodurch sie obligate Parasiten sind.

Immunsystem und Krankheitsabwehr

Angeborene Immunität

Angeborene Immunität: Die natürliche Fähigkeit, Krankheitserreger abzuwehren. Sie ist angeboren und wird durch Kolostrum (Erstmilch) verstärkt.

Erworbene Immunität

Erworbene Immunität:

• Aktive Immunität

  Durch Impfstoffe erworben.

• Passive Immunität

  Durch Serum (fertige Antikörper) erworben.

Klassifikation von Krankheiten (nach WHO)

• Infektionskrankheiten:

  Syphilis, Grippe, AIDS, Lepra. (Werden durch pathogene Organismen übertragen. Phasen: Inkubation, Entwicklung, Rekonvaleszenz.)

• Geschlechtskrankheiten (STIs):

  AIDS, Herpes, Gonorrhoe.

• Erbkrankheiten:

  Daltonismus (Rot-Grün-Schwäche), Down-Syndrom.

• Stoffwechsel- oder Funktionsstörungen:

  Bulimie, Epilepsie, Diabetes, Kretinismus.

• Traumatische Erkrankungen:

  Frakturen, Verstauchungen.

• Degenerative Erkrankungen:

  Krebs, Lepra.

• Soziale Krankheiten:

  Alkoholismus, Rauchen.

• Ernährungsbedingte Krankheiten:

  Anorexie, Adipositas.

• Parasitäre Erkrankungen:

  Würmer, Filzläuse, Kopfläuse.

Bakterien: Struktur, Wachstum und Bedeutung

Bakterielle Zellstruktur

DNA

DNA: Eine Art von geschlossenen, ringförmigen Molekülen.

Zellwand

Zellwand: Dünn und starr.

Kapsid

Kapsid: Umgibt die Zellwand und schützt vor Wasserverlust.

Geißel und Pili

Geißel: Ermöglicht Mobilität.

Ribosomen

Ribosomen: Orte der Proteinsynthese.

Fimbrien

Fimbrien: Beteiligt an der Anheftung von Bakterien aneinander oder an Oberflächen.

Mesosom

Mesosom: Beteiligt am Stoffwechsel und der Zellteilung.

Plasmid

Plasmid: Kodiert Proteine, die beispielsweise Antibiotikaresistenz verleihen.

Zytoplasma

Zytoplasma: Enthält Wasser, die DNA, Ribosomen und bei autotrophen Bakterien Pigmente, die Licht einfangen. Die Plasmamembran (Zellmembran) umgibt das Zytoplasma.

Wachstumsphasen von Bakterien

Latenzphase

Latenzphase: Die Zeit, in der sich Bakterien an die Umgebungsbedingungen anpassen.

Exponentielle Phase

Exponentielle Phase: Beschleunigte Vermehrung (z.B. Verdopplung unter optimalen Bedingungen).

Stationäre Phase

Stationäre Phase: Das Wachstum verlangsamt sich, da Nährstoffe erschöpft sind und sich Stoffwechselabfälle ansammeln.

Absterbephase

Absterbephase: Zunehmende bakterielle Sterblichkeit; Bakterien sterben ab.

Reproduktionsmechanismen von Bakterien

Transformation

Transformation: Beinhaltet die Aufnahme freier DNA-Fragmente von zerstörten Bakterien.

Transduktion

Transduktion: Ein DNA-Fragment wird durch ein Virus übertragen.

Konjugation

Konjugation: Übertragung von genetischem Material (oft über Pili). Ein Plasmidstrang öffnet sich und wird auf ein Empfängerbakterium übertragen, wo er sich verdoppelt. Auch Chromosomenfragmente, die bereits ein Plasmid integriert haben, können übertragen und im Empfängerbakterium repliziert werden.

Wichtige bakterielle Komponenten

Teichonsäure

Teichonsäure: Trägt eine starke negative Ladung, zieht Kationen an und verleiht der Zellwand Steifigkeit. Hilft auch bei der Regulierung des Zellwachstums.

Peptidoglykan

Peptidoglykan: Ein wichtiger Bestandteil der Zellwand, der Steifigkeit verleiht, die Form aufrechterhält und den Innendruck des Bakteriums kontrolliert.

Formen von Bakterien

• Kugelförmig (Kokken):

  • Isoliert (Kokkus)
  • Paare (Diplokokken)
  • Viererpakete (Sarcina)
  • Ketten (Streptokokken)
  • Haufen (Staphylokokken)

• Stäbchenförmig (Bazillen):

  • Isoliert (mit oder ohne Geißel)
  • In Ketten (Streptobazillen)

• Spiral- oder Vibrionen:

  (z.B. Vibrionen, Spirillen, Spirochäten)

Bedeutung von Bakterien

Positive Anwendungen:

• Sie sind Teil der Darmflora und ermöglichen die Synthese von Vitamin K und B.
• Werden zur Konservierung von Lebensmitteln verwendet (z.B. Joghurt, Käse, Alkohol).
• Ermöglichen die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff (N2) und dessen Umwandlung in Nitrat (NO3-), was für die Proteinsynthese wichtig ist.
• Einige Bakterienarten werden im Prozess der Kupferlaugung (Lixiviation) eingesetzt, um Kupfer aus Schrott zu gewinnen.

Negative Auswirkungen:

• Pathogene Organismen sind für Lebensmittelzersetzung verantwortlich.
• Sie können durch unzureichende Pasteurisierung (Erhitzen von Lebensmitteln auf niedrige oder hohe Temperaturen, um ihre Entwicklung zu verhindern) überleben.
• Verursachen üblen Geruch.
• Beteiligt am Prozess der Eutrophierung (schrittweise Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Wasser durch Ansammlung von Abfällen oder organischem Material).