Grundlagen der Mikrobiologie - Karin Römisch Sekretariat: momentan nicht besetzt e-mail: Frau Gonzalez Geb A1.5, EG ...

Grundlagen der Mikrobiologie!
              Karin Römisch!
 !Sekretariat: momentan nicht besetzt!!
 !    !Frau Gonzalez!
 !    !Geb A1.5, EG, E7!
 !    !vormittags 7:45-8:45!
 !    !nachmittags 13:30-16:30!
 !e-mail: k.roemisch@mx.uni-saarland.de!

Brock Mikrobiologie !
         13. aktualisierte Auflage 2013!
    !Vorlesung:   !Do 8:30h!
    !    !    !   !Fr 10:30h!
    !    !    !   !HS 2 in B2.1!
    !    !auch am 18.04.18!!
!
    !Klausur: !   !19.07.2019, 10:00h !
    Mikroskopierraum (Praktikumsgebäude)!

Karin Römisch:!
seit Herbst 2008 an der UdS!
Studium in Konstanz, Promotion EMBL Heidelberg!
Forschung in!
Berkeley/Kalifornien,     UCL London,                Cambridge !
!
!
!
!
an der UdS: Qualitätskontrolle von sekretorischen Proteinen!

                                    Saccharomyces!
                                    cerevisiae!

Was will die
Mikrobiologie?

Mikrobiologie in der Presse: !
       Händewaschen!
"Aktion saubere Hände", WHO seit 2008!

Vorlesungsprogramm!

Vorlesung: ich rede, Sie hören zu
!
Tutorium: Sie bearbeiten von mir gestellte !
    !Fragen zu dem, was Sie von mir !
    !gehört haben, und erklären Ihren !
    !Kollegen die Antworten!
!
    !ich höre zu (und helfe eventuell)!
!
    !Vorschläge für Alternativen?!

Tutorien als „active learning“ Strategie!
- “learning is not a spectator sport” :!
    um den Stoff zu verstehen und zu lernen,!
    müssen Sie sich mit ihm beschäftigen!
!
- nutzen Sie die Tutorien nicht nur, um !
     vorgegebene Fragen zu beantworten, !
    sondern auch, um selbst Fragen zu !
    entwickeln!!
!
- fragen Sie auch in der Vorlesung!!

Vorlesungsprogramm!

Prof. !
Gert-Wieland Kohring!

Wissenschaftliche Informations-Quellen:!
- Lehrbücher!
- allgemeinverständliche wissenschaftliche
  Publikationen (Spektrum der Wissenschaft, !
  Scientific American, New Scientist)!
- Übersichtsartikel: Trends in Microbiology,!
  Trends in Biochemical Sciences, !
  Nature Reviews !
- PubMed: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez
- Google Scholar: http://scholar.google.de/
NICHT (oder nur in erster Näherung) Wikipedia!

Mikroorganismen
und Mikrobiologie

Mikrobiologie!
1) Grundlagenforschung: !
   Mikroben als Modellorganismen!
  !alle Zellen haben Gemeinsamkeiten!
  !hohe Zelldichte: biochem. & genet. Analyse!
!
2) angewandte Mikrobiologie:!
  !Medizin: Krankheitserreger, Symbionten!
  !Landwirtschaft: Boden & Viehzucht!
  !Industrie: Antibiotika, heterologe Expression!

Bedeutung von Mikroorganismen!
global!!
O2 = Produkt mikrobieller Aktivität
Produktion & Abbau organischen Materials!
mikrobielles Leben entstand vor Pflanzen &
   Tieren!
evolutionäre Vielfalt der Mikroben >>!
  !Pflanzen & Tiere!
  !deshalb: mehr ökologische Nischen!
  ! !      !   !(Habitate & Nahrung)!
Interaktionen mit anderen Lebwesen (+ve, -ve)!

Entwicklung des Lebens!

Mikroorganismen als Zellen !

Zelle:!
!
Zellmembran +/- Zellwand!
subzelluläre Strukturen/ Kompartimente
  !(Pro-/Eukaryoten)!
!

Bakterienzellen!

Bakterienzellen!

                          Lichtmikroskop!

                          1 µm

Elektronenmikroskop!

I. Eigenschaften aller Zellen!

II. Eigenschaften einiger Zellen!

Katalytische &!
genetische!
Funktionen
von Zellen!

Mikroorganismen & ihre Umgebung!

  erste Zellen vor > 3.8 Milliarden Jahren!
  !
  Population!
  Habitat!
  mikrobielle Gemeinschaft!
  !

Mikroorganismen & ihre Umgebung!

                                   mikrobielle
                                   Gemeinschaft auf
                                   menschlicher!
                                   Zunge!
Grund eines Sees!   Klärschlamm!

Wirkung von Mikroorganismen!
lebende Organismen + Umgebung = Ökosystem
!
mikrobielle Ökosysteme: !
  !terrestrisch!
  !aquatisch!
  !höhere Organismen (Pflanzen & Tiere)!
!
Mikroben beeinflussen Ökosysteme, auch global!

Mikrobielles Leben!
Prokaryonten: 5 x 1030 auf der Erde!
!
Hauptanteil der Biomasse auf der Erde!
bedeutendstes Nährstoffreservoir
!
die meisten Prokaryoten leben in Ozeanen & in
   der Erde: unerforschte Habitate!
  !(heute: genutzt für bio-prospecting, z.B. für!
           neue Antibiotika)!

Mikroben &
Menschen!

Kontrolle von Infektionskrankheiten!
    - Erfolg der Mikrobiologie!

     Häufigste Todesursachen in den USA!

Bestehende Infektionskrankheiten -!
Herausforderungen für die Mikrobiologie!
        multiresistente Bakterien!
        Tuberkulose!
        HIV!
        Influenza!
       > Impfmüdigkeit

Mikroben in der Landwirtschaft!
                   Mikroben bereiten C, N und S so auf, !
in Leguminosen!    dass Pflanzen davon leben können!

in Wiederkäuern!

methanogene Bakterien!

biologische Sanierung!

Genomik!
!
Metagenomik (z. B. menschliches Mikrobiom)!
!

Menschliches Mikrobiom!

Menschliches Mikrobiom!
seit ca 2010 massiv expandierendes Forschungsgebiet:!
Grossforschungsprojekte:!
in den USA: NIH Human Microbiome Project !
in Europa: MetaHIT!
Human Microbiome Journal (Elsevier)!
!
zum Einstimmen/Einlesen:!
Jonathan Eisen, UC Davis: Meet your microbes (TEDMED talk)!
!
Ed Yong: I contain multitudes (2016)!
       !     !Ecco Verlag

Geschichte der Mikrobiologie!

              beginnt mit Erfindung
              des Mikroskops: !
              Robert Hooke 1664!

Zeichnung von Robert Hooke. Diese Zeichnung, 1655 in Micrographia veröffentlicht,
war die erste Beschreibung eines Mikroorganismus. Bei dem Organismus handelt es
sich um einen Schimmelpilz von blauer Farbe, der auf der Oberfläche von Leder
wächst. Die runden Strukturen (Sporangien) enthalten die Sporen des
Schimmelpilzes.

Erste Beschreibung von Bakterien:!
   van Leeuwenhoek!

Nachbau des Mikroskops von van Leeuwenhoek. Die Linse ist auf der Messingplatte
montiert, die neben der Spitze der verstellbaren Fokussierungsschraube liegt.

Zeichnungen
von Bakterien:!

                  van Leeuwenhoek war ein !
                  Tuchhändler aus Delft; er !
                  sprach weder Latein noch !
                  Englisch, wurde dennoch zum !
                  Mitglied der Royal Society in !
                  England gewählt, der er seine !
                  Mikroskope nach seinem Tod!
                  vermachte.!

Bakterien durch ein van Leeuwenhoek Mikroskop!

 Vergrösserung 270x; andere Mikroskope aus dieser Zeit nur !
 70-80x; van Leeuwenhoek hat nie verraten, wie er seine Linsen!
 herstellte

Erst im 19. Jh gab es bessere Mikroskope!
!
     !     !!
     !Beantwortung fundamentaler Fragen:!
!
     !Spontanzeugung!
     !Infektionskrankheiten!

Ferdinand Cohn (1828-98)!
deutscher Botaniker & Mikrobiologe!
!
studierte einzellige Algen und Bakterien!
!
glaubte, Bakterien seien Pflanzen!
!
beschrieb Lebenszyklus von Bacillus:!
  !vegetative Zellen hitzesensitiv, !
  !Endosporen hitzeresistent!
!
legte die Fundamente der Bakteriensystematik!

Louis Pasteur (1822-95):!
 Das Ende der Spontanzeugung!

Spontanzeugung:!            Louis Pasteur:!
Leben entsteht spontan!     Mikroben sind in der Luft!
in Gegenwart von Luft!

Pasteurs Experiment:!
Vergleich des Wachstums von Mikroorganismen in !
sterilen Nährlösungen, die entweder abgeschlossen von !
der Luft oder der Luft exponiert waren!

Pasteurs Experiment:!

Pasteurs Experiment:!

Pasteurs Experiment:!

Folgen von Pasteurs Experimenten heute:!
!
“Pasteurisieren” von Lebensmitteln!
!
!
weitere Erfolge von Pasteur:!
!
Impfstoffe gegen Milzbrand, Tollwut!
!
stärkte die Keimtheorie der Krankheiten!
!
!
Institut Pasteur:!
privat, gegründet!
1887 in Paris,!
heute weltweit!
9 Nobelpreise!

Robert Koch (1843-1910):!
   Koch sche Postulate!
schon im 16. Jh: etwas überträgt Krankheiten von !
einem Menschen auf den anderen!
!
später (u.a. van Leeuwenhoek): !
Vermutung, dass Mikroorganismen verantwortlich sind!
!
Koch bewies die Keimtheorie der Krankheiten!
!
untersuchte Milzbrand!
fand Bacillus anthracis im Blut erkrankter Tiere:!
      !Ursache oder Ergebnis der Krankheit?!
Experiment:!
      !gesunde Maus erkrankt durch Blut kranker Maus!
      !auch durch in vitro kultivierten Bacillus anthracis!

Spezifischer Mikroorganismus verursacht Krankheit:!

Spezifischer Mikroorganismus verursacht Krankheit:!

Reinkulturen – Voraussetzungen:!
1) feste Nährböden:!
!
       !Kartoffelscheiben - Wachstum von Bakterienkolonien!
       !       !      !     jede Kolonie ist eine Reinkultur!
2) einheitliche Nährmedien !
       !+ Gelatine: nicht fest bei 37°C...!
       ! in Scheiben von Koch eingesetzt!
       !!
       !+ Agar: Polysaccharid aus Rotalgen!
       ! von Walter Hesse 1880er erstmals benutzt!
       ! kann autoklaviert werden, bis 45°C flüssig!
       ! wird von den meisten Bakterien nicht abgebaut!
!
Julius Richard Petri: Beschreibung 2-teiliger Platten =!
   1887        !      !      ! Petri-Schalen!

Reinkulturen!

gezeichnete Agarplatte,!
Walter Hesse 1882!

                           moderne Petrischalen, !
                           Photobacterium leignathi (oben)!
                           marine Bakterien (links)!

Microbial Art!
                                               !
                                               Next Image!

Bakterien und Hefen, !       Bakterien, die verschiedenfarbige,!
die β-Galactosidase expri-! fluoreszierende Proteine !
mieren und damit einen!      exprimieren (Roger Tsien)!
blauen Farbstoff herstellen!
können

Robert Koch (1843-1910):!
   Entdeckung des TB-Erregers!
1881: 14% aller Todesfälle durch TB verursacht!
      !Hinweise auf Ansteckung, Erreger unbekannt!
!
Koch: 1) Entwicklung einer Färbemethode für M. tuberculosis!

   M. tuberculosis in Lunge !     !      !im Speichel!

Robert Koch (1843-1910):!
        Entdeckung des TB-Erregers!
Koch: !2) Entwickelte Kultivierungsmethode für M. tuberculosis!
      !3) Infektion von Meerschweinchen mit dem Erreger, !
      ! Anwendung Kochʼscher Postulate!
      !1905 Nobelpreis für Medizin!
!
TB heute: !
      !33% der Population der Erde infiziert? !
      !10% davon erkranken!
       opportunistische Infektion in geschwächtem Wirt (HIV)!
      !stärkste Prävalenz in Afrika & armen Staaten Asiens!
      !mangelnde Therapie-compliance (Behandlung dauert !
      !6 Monate und mehr) führte zu multidrug-resistant TB!
      !weltweit, und zur Wiederkehr von TB in Europa!

Entstehung der allgemeinen Mikrobiologie!
 Martinus Beijerinck (Delft, 1851-1931): !
 Anreicherungskulturen für Mikroorganismen !
       !(selektiv)!
 Entdeckung des 1. Virus (Tabakmosaikvirus)!
 !
       !Sergei Winogradsky (St. Petersburg,1856-1953):!
       !      !Isolation von Bakterien!
       !      !Bedeutung von Bakterienmetabolismus in !
       !      !biogeochemischen Prozessen!
       !Chemolithotrophie:!
       !      !Energiegewinnung durch Oxidierung !
       !      !anorganischer Substanzen!
       !Chemoautotrophie:!
       !      !Zellkohlenstoff wird aus CO2 gewonnen!
       !Stickstoff-Fixierung!

Sergei Winogradsky (1856-1953):!

Sergei Winogradsky (1856-1953):!

Nobelpreise der modernen Mikrobiologie!

Nobelpreise der modernen Mikrobiologie!

Carl Woese!
amerikanischer Mikrobiologe !
U. Illionois at Urbana-Champaign!
!
entdeckte der Archaea durch Sequenzierung!
        !ribosomaler RNA!

http://www.nobelprize.org/

      Barry J. Marshall, MD         J. Robin Warren
      klinischer Mikrobiologe       Pathologe

 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2005 was awarded jointly to
 Barry J. Marshall and J. Robin Warren "for their discovery of the bacterium
 Helicobacter pylori and its role in gastritis and peptic ulcer disease"

Sie sollten jetzt Folgendes wissen:!

1) Woher kommt der Sauerstoff auf der Erde?!
!
2) Was ist Chemolithotrophie und wer hat sie
  entdeckt?!
!
3) Welche Idee hat Pasteur widerlegt?!