Grundlagen der Bakterienbiologie: Struktur, Funktion, Wachstum

Plasmamembran

• Zellwand
• Zellwand Gram-positiv
• Zellwand Gram-negativ

Bewegungsorgane

• Geißeln
• Pili oder Fimbrien

Zytoplasma

Das Zytoplasma von Bakterien ist gallertartig und enthält das Chromosom.

Bestandteile des Zytoplasmas

• Kernäquivalent (Nukleoid): Genetisches Material (DNA) in Form von Chromosomen und Plasmiden.
• Ribosomen
• Inclusion Bodies

Externe Komponenten

• Kapsel
• Glykokalyx
• Schleimschicht

Inclusion Bodies

Inclusion Bodies dienen als Speicherstrukturen in Bakterienzellen.

Arten von Inclusion Bodies

• Organische Inclusion Bodies:
  • Poly-beta-Hydroxybutyrat und Glykogen: Kohlenstoffspeicher.
  • Cyanophycin-Granula: Akkumulieren überschüssigen Stickstoff.
  • Carboxysomen: Enthalten Enzyme (z.B. RuBisCO für CO2-Fixierung).
  • Gasvakuolen: Ermöglichen Auftrieb.
• Anorganische Inclusion Bodies:
  • Polyphosphat-Granula (Volutin): Phosphatspeicher.
  • Schwefel-Granula: Vorübergehende Schwefelspeicher.

Ribosomen

Ribosomen sind kleiner als bei Eukaryoten. Ihre Funktion ist die Synthese von Proteinen.

Molekulare Chaperone

Molekulare Chaperone sind Protein-Partner, die die Faltung von Polypeptiden erleichtern.

Plasmide

Plasmide sind doppelsträngige, zirkuläre DNA-Moleküle, die unabhängig vom Chromosom existieren und sich replizieren können.

Glykokalyx

Die Glykokalyx, auch Mikrokapsel genannt, spielt eine Rolle bei der Anheftung an Oberflächen, insbesondere in wässrigen Umgebungen.

Schleimschicht

Die Schleimschicht ist eine diffuse Polysaccharid-Matrix, die von einer oder mehreren Bakterienarten gebildet wird.

Rolle der äußeren Schichten

• Schutz vor Phagozyten
• Nährstoffreserve
• Bildung von Biofilmen und Schutz vor antimikrobiellen Substanzen

Endosporen

Endosporen sind inaktive, spezielle Strukturen, die Bakterien Widerstand gegen belastende Umweltbedingungen verleihen.

Widerstandsfähigkeit gegen:

• Hitze
• UV-Strahlung
• Chemische Desinfektionsmittel
• Austrocknung

Sie werden als intrazelluläre Strukturen im Zytoplasma bestimmter Bakterien gebildet.

Eigenschaften von Endosporen:

• Zellen im Latenz- oder Schlafzustand zeigen keine Lebenszeichen, hauptsächlich aufgrund des geringen Wassergehalts in der Spore.
• Hohe Beständigkeit gegen Hitze, Säuren, Laugen, Beizen, Strahlung, Desinfektionsmittel, Antibiotika usw.
• Die Endosporenbildung ist kein Mechanismus der Reproduktion, sondern ein Überlebensmechanismus in rauen Umgebungen.

Bakterien: Allgemeine Informationen

• Thermophile Bakterien: Leben in extremen thermischen Umgebungen (Temperatur > 100 °C).
• Bakterien sind einzellige Organismen, die sich durch Zellteilung vermehren.
• Sie kommen in Luft, Boden, Wasser, Pflanzen und Tieren, einschließlich des Menschen, vor.

Bakterienmorphologie

Häufige Formen:

1. Kokken (Kugelförmig)
2. Bazillen (Stäbchenförmig)
3. Vibrionen (Kommaförmig)
4. Spirillen (Spiral- oder Schraubenförmig)

Besiedlung des Menschen durch Bakterien

Übertragungswege:

• Speichel, Aerosole
• Blut
• Hautkontakt
• Genitalsekrete
• Fäkal-oral
• Vektoren wie Mücken

Eintrittspforten und Kontaminationsorte

• Augen
• Nase und Ohren
• Mund
• Atemwege
• Haut
• Magen und Darm
• Harnwege
• Genitaltrakt

Mikrobielles Wachstum

Mikrobielles Wachstum führt in der Regel zu einer Erhöhung der Zellanzahl.

Individuelles Wachstum

Individuelles Wachstum ist die Zunahme von Größe und Gewicht einer Zelle und ist in der Regel ein Vorspiel zur Zellteilung.

Populationswachstum

Populationswachstum ist die Erhöhung der Zellanzahl als Folge von Zellwachstum und Zellteilung.

Wachstumsrate

Die Wachstumsrate ist die Änderung der Zellanzahl oder -masse pro Zeiteinheit.

Generation

Eine Generation ist der Zeitraum, der benötigt wird, um aus einer Zelle zwei Zellen zu bilden.

Generationszeit

Die Generationszeit ist die Zeitspanne, die eine Population benötigt, um sich zu verdoppeln.

Faktoren, die das Wachstum beeinflussen

Externe Faktoren:

• Umwelt- oder Kulturbedingungen: pH-Wert, Temperatur, Wasseraktivität (Aw), O2, CO2
• Ernährungsbedingungen: C/N-Verhältnis (z.B. 10:1, 12:1)

Interne Faktoren:

• Metabolische Kapazität

Einfluss der Nährstoffkonzentration

Die Konzentration von Nährstoffen kann sowohl die Wachstumsrate als auch den Gesamtertrag (Biomasse) des Wachstums von Mikroorganismen beeinflussen.

Wachstum in Batch-Kultur

Batch-Kultur beschreibt das Wachstum von Mikroorganismen in einem festen Volumen Nährmedium, dessen Zusammensetzung sich durch das Wachstum kontinuierlich ändert, bis Nährstoffe erschöpft sind oder toxische Produkte akkumulieren.

Kontinuierliche Kultur

Kontinuierliche Kultur ist ein Verfahren, bei dem Nährmedium kontinuierlich zugeführt wird, während gleichzeitig eine entsprechende Menge Kulturmedium entfernt wird. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung eines konstanten Volumens und physiologischen Zustands der Kultur.

Chemostat

Der Chemostat ist das am häufigsten verwendete Gerät für die kontinuierliche Kultur. Sein Design ermöglicht die Kontrolle und Steuerung der Zelldichte und der Wachstumsrate durch die Begrenzung eines Nährstoffs.