Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Mikrobiologie

Übungen zu Kapitel 1
Ü 1.1

Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur bakteriellen Sporulation richtig oder falsch sind!

Ü 1.2

Geben Sie an, welche Aussagen zu den genannten bakteriellen Gruppen richtig oder falsch sind!

Ü 1.3

Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zu den Enterobakterien richtig oder falsch sind!

Ü 1.4

Sie haben in Reinkultur ein Bakterium mit den folgenden Eigenschaften isoliert:

 Im Lebendpräparat sehen Sie bewegliche Stäbchen.

 Nach Kristallviolett-Färbung wird die Farbe mit Ethanol leicht ausgewaschen.

 Im Medium mit Zusatz von Trimethyl-p-phenylendiamin ändert sich die Farbe während des Wachstums nicht.

 Nach Zusatz von Wasserstoffperoxid zur Bakteriensuspension beobachten Sie Bläschenbildung.

 Bei Kultivierung auf Glucose als Kohlenstoffquelle zeigt ein Indikator den pH-Wert < 4,5 an.

 Die Bakterien wachsen in Hochschichtröhren oben, unten und seitlich des Stichkanals.

 Auf Fuchsin/Sulfit-Indikatormedium mit Lactose als Kohlenstoffquelle bilden die Bakterien rot glänzende Kolonien.

Beantworten Sie anhand dieser Testergebnisse die folgenden Fragen:

Ü 1.5

Welche der folgenden Aussagen zur Zelloberfläche der Bakterien sind richtig, welche falsch?

Ü 1.6

Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Genetik von Escherichia coli richtig oder falsch sind!

Ü 1.7

Skizzieren Sie die grundlegenden experimentellen Schritte zur Isolation und Identifikation eines Enterobakteriums. Welche Eigenschaften haben Enterobakterien? Nennen Sie außerdem drei Gattungen coliformer Bakterien!

Ü 1.8

Recherchieren Sie die Lebensweisen und die Morphologie der in der Tabelle genannten Bakterien! Welche Hypothesen zu Zusammenhängen mit der Genomgröße können Sie ableiten? Diskutieren Sie die Mechanismen, die zu derart großen Unterschieden in der Genomgröße führen können!

Ü 1.9

Die bakterielle Welt verfügt über eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Energiegewinnung. Definieren Sie bitte die folgenden Beschreibungen des Energiestoffwechels im Hinblick auf die Art der Kohlenstoffquelle und des Elektronendonors für die energieliefernden Reaktionen. Finden Sie Beispiele für die unterschiedlichen Lebensweisen:

Chemolithoautotrophie – Chemoorganoheterotrophie – Chemo-lithoheterotrophie – Photoautotrophie – Photoheterotrophie

Ü 1.10

Ergänzen Sie die Lücken im folgenden Text zum Thema Transkription in Bakterien!

Die Transkription der mRNA in Bakterien hängt von der Anwesenheit definierter Sequenzelemente auf der DNA, den _____________________, ab. An solchen Stellen bindet das Enzym ____________________, das aus _____ Untereinheiten zusammengesetzt ist. Eine dieser Komponenten, der sogenannte ________________, ist für die Erkennung der Startstellen zuständig. Die Bindungsstellen haben in Escherichia coli einen typischen Aufbau mit zwei charakteristischen Bindungsstellen, der ________- und der ________-Region. Die Bezeichnungen dieser Bindungsstellen sind von deren Abstand zum eigentlichen _____________________ abgeleitet.

Ü 1.11

Ergänzen Sie die Lücken im folgenden Text zum Thema Translation in Bakterien!

Zur Translation müssen die Ribosomen an der sogenannten _________________________ an die mRNA binden. Die Bindung ist spezifisch, weil diese Region der mRNA über ____________________-Bindungen an die ________ ribosomale RNA bindet. Die eigentliche Translation beginnt am __________-Codon, das immer die Sequenz _______ hat und für die Aminosäure ______________ kodiert. Während der Elongation der Translation binden mit Aminosäuren beladene ________ an das komplementäre Codon. Die wachsende Peptidkette wird auf die jeweils ankommende neue Aminosäure übertragen. Das Ende des wachsenden Proteins wird durch eines von drei möglichen ______________ definiert. Diese tragen die Sequenz ____________, ____________ oder ____________. Diese Signale werden nicht wie die vorherigen Codons von _________ gelesen, sondern von den sogenannten ______________________.

2Archäen

Gelegentlich fällt es schwer, den Domänencharakter der Archäen zu verstehen. Neben der nicht sonderlich glücklichen, doch leider noch immer verbreiteten Bezeichnung Archaebakterien liegt das an den morphologischen Ähnlichkeiten mit der Domäne der Bakterien. Die phylogenetische Eigenständigkeit der Archäen wird allerdings sofort deutlich, wenn man die molekularen Besonderheiten dieser Domäne betrachtet. Die DNA etlicher dieser Organismen ist in Histone verpackt, die zwar deutlich kürzer sind als bei Eukaryonten, jedoch durchaus Homologie erkennen lassen. Die DNA bildet auch tatsächlich nucleosomenartige Strukturen, die große Ähnlichkeit mit der Nucleosomenstruktur des Genoms bei Eukaryonten aufweisen. Auch lassen die Archäen, ganz anders als die Bakterien, eine deutliche Tendenz zu mehr als einem Replikationsursprung ihrer DNA erkennen. Insbesondere auf Transkriptionsebene wird die Ähnlichkeit der Archäen mit den Eukarya deutlich. Die RNA-Polymerase hat keine Ähnlichkeit mit der recht einfachen RNA-Polymerase der Bakterien, wohl aber mit den Polymerasen der Eukaryonten. In der Konsequenz erinnern auch die Promotoren eher an Eukaryonten. Viele Komponenten der Translationsmaschinerie sind allen drei Domänen gemeinsam, andere sind typisch für die jeweilige Domäne. Insgesamt jedoch sind die Ähnlichkeiten der Ribosomen und Translationsfaktoren zwischen Eukaryonten und Archäen deutlich größer als die der beiden prokaryontischen Domänen untereinander.

Die Zellwände der Archäen weisen im Gegensatz zu denen der Bakterien kein durchgehendes Prinzip auf. Neben zellwandlosen Formen gibt es viele Organismen, die lediglich durch parakristallin angeordnete Proteine nach außen abgegrenzt werden. Archäen, die von Poly­saccharid-Wänden umgeben sind, weisen erhebliche Unterschiede zum Murein der Bakterien auf. Auch die Membranen unterscheiden sich von denen der Eukaryonten und auch von dem – immerhin auch nicht ganz einheitlichen – Bild bei Bakterien. Charakteristisch für Archäen ist der Verzicht auf Fettsäuren in den lipophilen Seitenketten der Phospholipide. Stattdessen verwenden sie die C20-Seitenkette des Phytanylrests, der über eine Etherbindung an das Glycerin gekoppelt ist. Der Vorteil solcher Etherbindungen ist die erheblich verbesserte Thermostabilität im Vergleich zu den bekannteren Fettsäure-Estern. Um auch die physikalische Thermostabilität der Membran zu erhöhen, zeichnen sich viele Archäen durch kovalente Verknüpfung der Phytanylreste beider Membranhälften aus. Auch die Flagellen der Archäen unterscheiden sich sehr deutlich in Dicke und Aufbau von denen der Bakterien.

Systematik und Phylogenie der Archäen sind Gegenstand der Debatte. Momentan gelten zwei große Phyla als gesichert, die Euryarch-aeota und die Crenarchaeota. An der Basis der Entwicklungsgeschichte stehen die hyperthermophilen Crenarchaeoten. Bei Pyrolobus fumarii hat man noch Wachstum bei 113 °C gemessen. Derzeit die höchste Temperatur, bei der Archäen noch wachsen, beträgt 122 °C für einen speziellen Stamm von Methanopyrus kandleri. Die Euryarchaeota sind phylogenetisch jünger; hierhin gehören die extrem halophilen Gattungen Halobacterium und Natronococus, die extrem acidophilen Gattungen, etwa die zellwandlosen Thermoplasmen, sowie die methanogenen Archäen, beipielsweise Methanococcus und Methanosarcina.

Zusammengenommen setzen Archäen pro Jahr etwa 109 Tonnen Methan frei. Angesichts der extremophilen Archäen darf man nicht vergessen, dass Archäen in nahezu allen Lebensräumen vorkommen. Auch Menschen werden von ihnen besiedelt, etwa in anaeroben Bereichen des Mundes und natürlich im Darm, wo sie für die Bildung von Methan verantwortlich sind. Hier spielen Methanobrevibacter- und Methanosphaera-Arten eine Rolle, nicht nur für die Methanbildung, sondern auch bei der Umwandlung des giftigen Methanols zu Methan. Allerdings kennt man bislang keine Krankheitserreger aus der Domäne der Archäen, weder für Tiere noch für Pflanzen. Biotechnisch in hohem Maße bedeutsam sind die Archäen, die in Biogasanlagen aus vielen Substraten Methan freisetzen. Die ökologische Bedeutung der Archäen erkennt man erst allmählich. Allein die Zahlenverhältnisse zwischen Bakterien und Archäen im Meer lassen vermuten, dass in dieser Domäne des Lebens noch erhebliche Überraschungen entdeckt werden können. Die hochgerechnete Anzahl von Bakterien in den Meeren liegt bei 3 x 1028, die der Archäen mit etwa 1 x 1028 ist nahezu ebenso hoch.

Übungen zu Kapitel 2
Ü 2.1

Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Biologie der Archäen richtig oder falsch sind!

Ü 2.2

Archäen bieten einige Besonderheiten im Aufbau ihrer Zellmembranen. Beschreiben Sie diese und recherchieren Sie die Strukturformeln der relevanten Komponenten!

Ü 2.3

Finden Sie Unterschiede im Zellwandaufbau der Archäen im Vergleich mit Bakterien!

Ü 2.4

Biogasanlagen basieren auf der Stoffwechselaktivität methanogener Archäen. Finden Sie heraus, welche Substrate zu Methan reduziert werden. Legen Sie bei Ihren Recherchen besonderes Augenmerk darauf, aus welchem physiologischen Grund diese Organismen das sehr energiereiche Methan bilden, und dann aber nicht selbst nutzen.

Ü 2.5

Welche Rolle spielen Archäen im Pansen von Wiederkäuern? Welche Stoffwechselprozesse führen sie hier aus?

Ü 2.6

Viele Archäen wachsen Kohlenstoff-autotroph. Recherchieren und beschreiben Sie die zugrunde liegenden Stoffwechselwege!

Ü 2.7

Thermoplasmen leben unter extremen Bedingungen. Welche Eigenschaften haben sie? Aus welchen Prozessen beziehen sie ihre Energie?

Ü 2.8

Arbeiten Sie die Unterschiede im Aufbau der Flagellen bzw. Geißeln zwischen Bakterien, Archäen und Eukaryonten heraus!

3Bakteriophagen

Bakteriophagen sind mit Sicherheit die häufigsten Lebensformen auf der Erde, noch häufiger als Bakterien, da man zu jeder bakteriellen Spezies, bei der man gesucht hat, viele Phagen gefunden hat, bisweilen mehrere Hundert. Man nimmt heute mindestens für das Meerwasser an, dass auf dem Weg über die Rekombination zwischen Phagen- und Bakteriengenomen alle überhaupt möglichen bakteriellen Gene ein großes, allumfassendes Metagenom bilden. In anderen Biotopen, etwa in unserem Darm, dürfte die Situation ähnlich sein. Wegen der Möglichkeit zum horizontalen Gentransfer über Speziesgrenzen hinweg stellen Phagen daher eine bestimmende Größe dar für die Evolution und die Entstehung neuer bakterieller Arten mit neuen Eigenschaften. Der horizontale Gentransfer mithilfe von Phagen heißt in der Biologie Transduktion, dazu fähige Phagen nennt man transduzierende Phagen. Hier befassen wir uns nur mit einigen Bakteriophagen von Escherichia coli.

3.1Genome

Bei Phagen sind so ziemlich alle möglichen Genomarchitekturen verwirklicht. Es gibt Genome auf der Basis von RNA oder DNA, beide können ringförmig oder linear sein, einzelsträngig oder doppelsträngig, und auch Genome aus mehreren Molekülen kommen vor. Manche dieser Moleküle besitzen die Fähigkeit, in das Wirtsgenom zu integrieren. Man spricht dann von lysogenen Phagen im Unterschied zu den lytischen Phagen, die diese Fähigkeit nicht besitzen, sondern ausschließlich im Plasma der Wirtszelle vermehrt werden und diese schließlich lysieren.