Mikrobiologie Grundlagen: Bakterien, Pilze und Viren im Überblick

Bakterien: Aufbau und Eigenschaften

Bakterien sind einzellige, prokaryotische Organismen mit einer Größe zwischen 0,2 und 5 Mikrometern. Ihr Genom besteht aus einem großen, runden und geschlossenen DNA-Molekül (dem Nucleoid). Im Zytoplasma befinden sich Ribosomen und Reserveprodukte.

Sie besitzen eine Plasmamembran und außerhalb davon eine Zellwand (Peptidoglycan). Aufgrund der Eigenschaften der Zellwand können Bakterien mittels der Gram-Färbung in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: Gram-positiv (+) und Gram-negativ (-).

Bakterien können exogenes genetisches Material (Plasmide und Bakteriophagen) aufnehmen. Sie sind oft von einer Kapsel (Polysaccharid) umgeben und können Widerstandsstrukturen, sogenannte Endosporen, bilden (nur Gram-positive, z. B. Bacillus und Clostridium).

Methoden zur Identifizierung von Bakterien

• Morphologische Merkmale: Kokken oder Bazillen, Sporenbildung, Gram-Verhalten, Motilität, optimale Wachstumstemperatur (T°), Atmungstyp, makroskopisches Aussehen der Kolonien.
• Metabolische Merkmale: Es werden Differentialmedien verwendet, um die Substrate zu untersuchen, die von bestimmten Bakterien metabolisiert werden. Dies geschieht durch den Nachweis von Kataboliten und einer Veränderung des pH-Wertes des Mediums, die mithilfe von Reagenzien sichtbar gemacht wird, welche bei unterschiedlichen pH-Werten die Farbe ändern. Mikroorganismen mit den gleichen metabolischen Eigenschaften werden als Biotypen bezeichnet.
• Serotypisierung: Immunologischer Nachweis spezifischer bakterieller Antigene (Ag): O-Antigen (Lipopolysaccharid der Membran), Vi-Antigen (Kapsel) und/oder H-Antigen (Flagellen/Flimmerband). Mikroorganismen mit den gleichen Antigen-Eigenschaften werden als Serotypen bezeichnet. Beispiel: Salmonella enterica Serovar Typhimurium (O: 4,5, H: 2 und H: r).

Pilze: Eukaryoten und ihre Rolle in Lebensmitteln

Pilze sind heterotrophe Eukaryoten (Glykolyse und aerobe Atmung), die in der Natur weit verbreitet sind. Sie können in folgenden Formen auftreten:

• Einzeller (Hefen): Asexuelle Vermehrung durch Sprossung oder Spaltung; sexuelle Vermehrung durch zytoplasmatische Fusion (3 bis 15 Mikrometer).
• Mehrzeller (Schimmelpilze): Asexuelle und sexuelle Reproduktion durch Sporenbildung und Zellfusion an den Spitzen der Hyphen.
• Dimorphe Pilze: Können sowohl als Hefe als auch als Schimmelpilz wachsen.

Pilze sind oft Teil der normalen Flora vieler Lebensmittel. Sie können sich gut in Produkten vermehren, die für das Bakterienwachstum ungünstig sind, da sie niedrigere pH-Werte, höhere Konzentrationen von Zucker und Salz sowie geringere Wasseraktivitäten (H₂O-Konzentrationen) tolerieren. Die meisten Pilze sind strikte Aerobier, aber einige, wie Hefen, sind fakultativ anaerob (Glykolyse und alkoholische Gärung); nur sehr wenige sind strikte Anaerobier.

Sie besitzen die typischen eukaryotischen Organellen, einen echten Zellkern (Nukleolus), eine Plasmamembran (Glykoproteine, Phospholipide und Ergosterol) und eine Zellwand (Chitin, Glucane, Polysaccharide und Polypeptide). Einige bilden auch eine Kapsel (Polysaccharid-Schleim).

Die Zellwand beeinflusst die Virulenz des Pilzes. Einige Formen produzieren in der exponentiellen Wachstumsphase sekundäre Metaboliten, bekannt als Mykotoxine. Beispiele hierfür sind:

• Aflatoxin (in Aspergillus flavus und Aspergillus parasiticus)
• Ochratoxin und Catulina (in Alternaria)
• Ergotamin und Ergotoxin (in Claviceps purpurea)

Aflatoxine haben die wichtigste krebserzeugende Wirkung bei Tieren!

Viren: Obligate intrazelluläre Parasiten

Viren sind obligate intrazelluläre Parasiten, da ihnen die spezifischen Mechanismen zur Energiegewinnung und Proteinsynthese fehlen. Sie können sich in Bakterienzellen (Bakteriophagen) oder eukaryotischen Zellen vermehren und weisen eine hohe Wirtsspezifität auf. Ihre Komponenten werden assembliert und replizieren sich nicht durch Zellteilung.

Viren bestehen aus:

• Einem Fragment von DNA oder RNA (dem Genom) und Polymerasen.
• Kapsomeren (Glykoproteine), die das Kapsid bilden.

Genom und Kapsid bilden zusammen das Nukleokapsid.

Viren werden klassifiziert nach:

• Hülle: Viren mit nur diesen Teilen werden als unbehüllt bezeichnet, während andere, die zusätzlich eine Lipidhülle (Produkt von Zellmembranen) besitzen, als behüllt bezeichnet werden.
• Form des Nukleokapsids: Ikosaedrisch oder helikal (spiralig).

Sie messen zwischen 30 und 300 Nanometern und sind daher nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar. Viren können Lebensmittel als Überträger nutzen, sich dort aber nicht replizieren. Sie verursachen keine Veränderungen im Lebensmittel selbst, sondern nur auf pathologischer Ebene beim Wirt.

Der virale Replikationsprozess

1. Erkennung der Zielzellen: Mittels Adhäsionsproteinen (VAP).
2. Bindung (Union).
3. Penetration: Unbehüllte Viren durch rezeptorvermittelte Endozytose; behüllte Viren durch Membranfusion.
4. Uncoating (Verlust der Hülle): Freisetzung des viralen Genoms.
5. Makromolekulare Synthese: Synthese von DNA oder RNA und Kapsidproteinen.
6. Virus-Assemblierung.
7. Freisetzung: Behüllte Viren durch Budding (Knospung); unbehüllte Viren durch Lyse der Zelle.

Grundlegende Schritte einer Virusinfektion

1. Erwerb des Virus: Über Haut oder Schleimhäute.
2. Etablierung der Infektion: Im primären Fokus.
3. Inkubationszeit (Prodromalstadium): Unspezifische Symptome (z. B. Müdigkeit).
4. Symptome der Krankheit: Verursacht durch Gewebeschädigung, systemische Effekte des Virus und mögliche Immunreaktionen.

Lebensmittelrelevante Viren (Foodborne Viruses)

• Hepatitis A: Wird oral aufgenommen, meist infolge fäkaler Kontamination von Wasser oder Lebensmitteln. Verursacht eine allgemeine systemische Erkrankung.
• Norovirus: Verursacht Magen-Darm-Erkrankungen (Gastroenteritis). Häufig assoziiert mit Reisediarrhö und dem Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln oder Wasser. Betrifft Kinder und Erwachsene.