Vorlesung Kapitel 2
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Literatur zur Geschichte der Molekularbiologie! ! - Horace Freeland Judson: 'The eighth day of creation'! ! - James Watson: ' The double helix'! - Brenda Maddox: 'Rosalind Franklin - the dark lady of DNA'! (Biographie von Rosalind Franklin)! - Evelyn Fox Keller: 'A feeling for the organism'! (Biographie von Barbara McClintock)! ! - Max Perutz: 'I wish I'd made you angry earlier'! ! ! Welt der Mikrobiologie! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Vergrösserung! Auflösung: Lichtmikroskop 0,2 µm! ! sichtbares Licht zur Erkennung von Zellstrukturen! Hellfeld, Phasenkontrast, Dunkelfeld, Fluoreszens! Hellfeld: Kontrast zwischen Zellen & Medium macht die Proben! ! sichtbar! ! viele Bakterien schlecht zu sehen! ! gut bei pigmentierten Zellen! ! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Hellfeldmikroskopie! pigmentierter Zellen:! ! Grünalge! ! ! ! ! ! Purpurbakterium! ! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Gesamt-Vergrösserung =! Vergrösserung der Objektiv-! x! Vergrösserung der Okularlinsen! ! bei Lichtmikroskop max. 1500x! ! max. Auflösung = 0,2 µm! d.h. zwei Objekte, die näher ! beeinander liegen, sind nicht! als getrennte Strukturen sichtbar! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Hellfeld: Kontrastvergrösserung durch Färben! ! ! einfache Färbung:! ! basische Farbstoffe (Methylenblau, Kristallviolett,! ! Safranin) binden an negativ geladene Zellstrukturen! ! ! differenzielle Färbung: Gramfärbung (Praktikum)! ! Unterschiede in der Zellwandstruktur führen zu unter-! ! schiedlicher Farbstoffeinlagerung Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! ! differenzielle Färbung: Gramfärbung (Praktikum)! ! Unterschiede in der Zellwandstruktur führen zu unter-! ! schiedlicher Farbstoffeinlagerung! blau = gram + Staphylococcus aureus! rosa = gram - Escherichia coli Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Phasenkontrastmikroskop: ! verstärkt Kontraste, gut für Lebendpräparate Hellfeld ! ! !Phasenkontrast! !S. cerevisiae! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Phasenkontrastmikroskop: ! ! Zellen verringern Geschwindigkeit, mit denen das Licht durch! sie fliesst, d.h. anderer Brechungsindex als Umgebung! wird erhöht durch Ring in der Objektivlinse: ! !dunkles Bild vor hellem Hintergrund! ! entwickelt von Frits Zernike! Nobelpreis für Physik 1953 Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Dunkelfeld: ! ! nur vom Objekt gestreutes Licht erreicht die Linsen:! helles Bild vor dunklem Hintergrund Dunkelfeld! Mikroskopie & Zellmorphologie! 1. Lichtmikroskopie! Fluoreszenzmikroskopie:! Zellen emittieren Licht einer bestimmten Farbe, wenn Licht! einer anderen Farbe auf sie scheint! ! entweder durch natürliche fluoreszierende Substanzen in ! den Zellen oder durch Färbung mit Fluoreszenz-Farbstoffen Cyanobakterien: Hellfeld ! ! Cyanobakterien: !Fluoreszenz ! ! ! E. coli! DAPI! Mikroskopie & Zellmorphologie! 2. Elektronenmikroskopie! benutzt Elektronen statt Photonen! Elektromagneten statt Linsen! Auflösung 0,2 nm! ! Elektronen dringen schlecht in ! Zellen ein: Dünnschnitte (20-60 nm)! ! Färbung mit Kontrastmitteln, die! Elektronen streuen! ! Mikroskopie & Zellmorphologie! 2. Elektronenmikroskopie! Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahme! von Bacillus subtilis! Mikroskopie & Zellmorphologie! 2. Elektronenmikroskopie! Rasterelektronenmikroskop: keine Schnitte, ! !nur Oberfläche der Zellen ist sichtbar! ! ! ! ! Rhodovibrio! sodomensis! Zellstruktur:Prokaryoten! Bakterien, Archaea! Zellstruktur:Eukaryoten! Algen! Pilze! Protozoen! Bakterien, Archaea! Algen, Pilze,! Protozoen! Zellen durchs Elektronenmikroskop! 3µm! 4µm! 1µm! Heliobacterium ! modesticaldum! 0.5µm! Methanopyrus ! kandleri! 8µm! Saccharomyces ! cerevisiae! Viren! Rhabdovirus, Eukaryontenvirus (ssRNA, ! ! ! ! Tollwut)! E. coli phage Lambda (ds DNA)! Kopf: 65 nm Durchmesser! Viren! kein eigener Metabolismus! keine Ribosomen! Vermehrung nur durch Infektion! << als Eu- und Prokaryoten! Größenvergleich! Gene, Genome & Proteine ! E. coli: 4.7 kb Genom, 1 Chromosom, 4300 Gene 1900 Proteine, 2.4 x 106 Proteinmoleküle Expression einzelner Proteine sehr unterschiedlich H. sapiens: etwa 4700 kb Genom, etwa 24000 Gene Phylogenie ! beschreibt evolutionäre Verwandtschaft zwischen Organismen früher: morphologisch + metabolisch heute: molekular durch Vergleich von rRNA Phylogenetischer Stammbaum:! die drei Domänen des Lebens! Mikrobielles Leben! Überblick! Mikrobielle Diversität! Zellgrösse, Morphologie, Physiologie, Beweglichkeit, etc. Diversität erlaubt Besiedlung auch extremster Habitate auch heute noch Entdeckung neuer Arten Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung! Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung! Chemoorganotrophe: oxidieren organische Verbindungen; speichern Elektronen als ATP aerobe: brauchen Sauerstoff anaerobe: brauchen Abwesenheit von Sauerstoff die meisten kultivierten Mikroben sind chemoorganotroph Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung! Chemolitotrophe: oxidieren anorganische Verbindungen; speichern Elektronen als ATP nur Prokaryoten nutzen Abfallprodukte der Chemoorganotrophen Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung! Phototrophe: enthalten Pigmente, die Licht als Energiequelle zulassen (d.h. farbige Zellen) bei Prokaryoten zwei Formen: oxygene Photosynthese: setzt Sauerstoff frei (z.B. Cyanobakterien) anoxygene Photosynthese: keine Sauerstoffbildung (z.B. Purpurbakterien) Mikrobielle Diversität: Energiegewinnung! Heterotrophe: brauchen externe Kohlenstoffquellen (alle Chemoorganotrophen) Autotrophe: nutzen CO2 als Kohlenstoffquelle (viele Chemolitotrophe, fast alle Phototrophen) = ‘Primärproduzenten’, weil sie organische Substanz aus CO2 gewinnen Mikrobielle Diversität: Habitate! Sterilität ist in der Natur selten Mikroben überall, wo es Leben gibt, auch in von Menschen geschaffenen Strukturen Extremophile: stecken die Grenzen des Lebens ab Mikrobielle Diversität: Habitate! Sterilität ist in der Natur selten Mikroben überall, wo es Leben gibt, auch in von Menschen geschaffenen Strukturen Extremophile: stecken die Grenzen des Lebens ab Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Proteobakterien: viele Chemoorganotrophe, z.B. E.coli auch Phototrophe & chemolithotrophe Phototrophic purple sulfur bacterium Chromatium, Microbial community. The chemolithotrophic sulfur-oxidizing Bacterium Achromatium (H2S zu S zu SO4-) Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Proteobakterien: grampositive: gemeinsame Phylogenie & Zellwandstruktur z.B. Bacillus, Clostridium, Streptomyces, Streptococcus, Lactobacillus Mycoplasmen: keine Zellwand, oft pathogen Bacillus with endospores Streptococci Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Proteobakterien: grampositive: gemeinsame Phylogenie & Zellwandstruktur z.B. Bacillus, Clostridium, Streptomyces, Streptococcus, Lactobacillus Mycoplasmen: keine Zellwand, oft pathogen verwandte: Cyanobakterien, oxygene Phototrophe verantwortlich für O2-Bildung auf der Erde Filamentous cyanobacteria Oscillatoria Spirulina Morphologische Diversität der Bakterien! Gestieltes Bacterium Planctomyces Shown are several cells attached by their stalks to form a rosette. Morphologische Diversität der Bakterien! Spirochäten Spirochetes are wide-spread in nature and some cause disease such as Syphilis & Borreliosis Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Phototrophe grüne Bakterien Chlorobium (Schwefelbakterium) Chloroflexus (Nichtschwefelbakterium) heisse Quellen, oft in Matten ähnliche Pigmente, beide Linien autotroph Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Chlamydien & Deinococcus Chlamydia: obligat intrazellulär, verursacht Atemwegs- und Geschlechtskrankheiten Deinococcus: besondere Zellwand, strahlungsresistent Diversität der Prokaryonten: Bakterien! Diversität der Bakterien: Extremophile! Thermotoga & Aquifex: Aquifex is a early branching species of Bacteria. It is a hyperthermophile, growing optimally above 80°C. frühes Abzweigen der Linie: frühe Erde heisser als heute Diversität der Prokaryonten: Archaea! Hyperthermophile thermoacidophile Methanogene Halophile Thermoacidophile Pyrolobus, the most hyperthermophilic archaeon Grows optimally above the boiling point of water Diversität der Prokaryonten: Archaea! alle Archaea sind chemotroph ! (obwohl Halobacterium auch mit Licht ATP bilden kann)! viele chemolithotroph, v.a. extremophile! ! Euryarchaeota:! Methanogene - streng anaerob, Energiegewinnung durch ! ! ! Bildung von Methan! Halophile - benötigen Sauerstoff & Salz Extreme halophilic Archaea The tube contains cells of Halobacterium in a highly concentrated NaCl solution Diversität der Prokaryonten: Archaea! alle Archaea sind chemotroph ! (obwohl Halobacterium auch mit Licht ATP bilden kann)! viele chemolithotroph, v.a. extremophile! ! Euryarchaeota:! Methanogene - streng anaerob, Energiegewinnung durch ! ! ! Bildung von Methan! Halophile - benötigen Sauerstoff & Salz; enthält Pigmente zur ! ATP-Gewinnung aus Licht (kein Chlorophyll)! ! z.T. alkalophil! Thermoacidophile - keine Zellwand, hohe T & niedriger pH Thermoplasma, a cell wall-less extremely acidophilic archaeon Phylogenetische Analyse ! mikrobieller Gemeinschaften! rRNA Analyse von Material aus natürlichen Proben (Boden, Wasser, etc.) & einordnen in Stammbaum = molekulare mikrobielle Ökologie die meisten Mikroorganismen sind bisher nicht kultiviert worden Genom-Analyse zum Verständnis ihres Metabolismus? Mikrobielle Diversität: Eukaryonten! Mikrobielle Diversität: Eukaryonten! mikrobielle Eukaryonten = Protista Phototrophe, z.B. Algen Microbial Eukarya Fungi, Ascomycete with conidiophores and -spores Algae, Volvox with chloroplasts Protozoae, Paramecium with cilia Mikrobielle Diversität: Eukaryonten! mikrobielle Eukaryonten = Protista Phototrophe, z.B. Algen Chemotrophe, z.B. Pilze (einzellig oder filamentös) Algen & Pilze haben Zellwände, im Gegensatz zu Protozoen & Schleimpilzen Mikrobielle Diversität: Eukaryonten! Protozoen Mikrobielle Diversität: Eukaryonten! Flechten: Mutualismus Pilz + Alge/Cyanobakterium Anker/Schutz + Primärproduzent Symbiotic community between fungi and algae, cyanobacteria. The color of the lichen comes from the pigments of the phototroph
