Mikroorganismen und Biotechnologie

Obwohl Du mikroskopisch kleine Lebewesen mit blossem Auge nicht erkennst, ist die Vielfalt an Mikroorganismen in unserer Natur gigantisch.

Es gibt die Prokaryonten, welche eine prokaryotische Zelle besitzen. Das heisst sie besitzen keinen Zellkern und auch keine Mitochondrien. Meistens sind Zellen dieser Gruppe auch kleiner als eukaryotische Zellen und nicht in mehrere Kompartimente aufgeteilt. Sie unterscheiden sich auch in der Zusammensetzung ihrer Zelle, sowie in anderen Prozessen und Merkmalen von einer eukaryontischen Zelle. Zu dieser Gruppe zählen die Domäne der Bakterien und die Domäne der Archaea. Diese Organismen sind immer Einzeller, aber sie können sich in Verbünden zu Filamenten oder Biofilmen strukturieren.

Mikroorganismen, mit einer eukaryontischen Zelle, gehören zusammen mit Tieren und Pflanzen zu der Domäne der Eukaryonten. Dabei besitzen Zellen dieser Organismen einen Zellkern und sind mit Zellorganellen in Kompartimente aufgeteilt. Eukaryontische Mikroorganismen können einzellig oder mehrzellig sein. Zu dieser Gruppe gehören sehr viele Vertreter, darunter: Pilze, Protozoen und Protisten, die selbst nochmals eine riesige Vielfalt aufweisen. Zu diesen gehören Organismen wie die Amöben, Schleimpilze oder Mikroalgen.

Fortpflanzung und Wachstum von Bakterien

Vielleicht erinnerst du dich, dass bei eukaryotischen Zellen die Mitose(Kernteilung) einer Zellteilung voran geht. Bakterien haben jedoch keinen Zellkern, weshalb sich die Zelle nach Replikation der DNA einfach durch Einschnüren der Zellmembran teilt. Dabei entstehen 2 genetisch identische Tochterzellen. Unter idealen Bedingungen kann ein Bakterium sich innerhalb von 20 Minuten verdoppeln. Oft ist aber die Versorgung mit Nährstoffen oder die Temperatur nicht optimal, weshalb es meistens länger dauert als 20 Minuten.

Schau dir die untere Grafik an. Sie beschreibt den Wachstumsverlauf einer Bakterienpopulation. Dabei ist dieser Verlauf in 4 Phasen aufgeteilt:

1. In der Anlaufphase beginnen sich die ersten Bakterien zu teilen und gleichzeitig organisieren sie ihren Stoffwechsel so, dass er den vorliegenden Bedingungen ideal angepasst ist.
2. In der exponentiellen Phase, haben die Bakterien ihren Stoffwechsel an die Bedingungen perfekt angepasst, und vermehren sich immer mehr exponentiell.
3. In der stationären Phase beginnen die Nährstoffe auszugehen. Die Anzahl neu entstehender Bakterien sind etwa gleich gross, wie die Anzahl sterbender Zellen. Somit bleibt die Anzahl Bakterien für eine Weile stabil.
4. In der Absterbephase sind alle Nährstoffe bereits aufgebraucht und die Bakterien sterben nacheinander ab.

Aerober und anaerober Stoffwechsel in Mikroorganismen

Mikroorganismen können aerobe Stoffwechsel haben. Das heisst sie benötigen Sauerstoff, als Elektronenakzeptor der Atmungskette, um damit Energie zu gewinnen. Sehr viele Mikroorganismen können jedoch auch zu einem anaeroben Stoffwechsel umschalten oder sind sogar komplett anaerob.

Diese anaeroben Organismen benötigen keinen Sauerstoff für ihren Stoffwechsel und die Vielfalt an verschiedenen anaeroben Stoffwechseln ist überwältigend. Vereinfacht kann man diese Stoffwechsel jedoch in 2 Gruppen unterteilen:

• Gärung: Dabei werden Stoffe in der Zelle oxidiert (z.B. Zucker) ohne die Elektronen auf einen externen Elektronenakzeptor zu übertragen. So wird z.B. in Hefen Zucker in der Glykolyse zu Pyruvat abgebaut. Dieses in der Zelle gebildete Pyruvat wird dann als Elektronenakzeptor verwendet, um Alkohol herzustellen. Andere Bakterien, wie die Milchsäurebakterien, vergären Zucker zu Milchsäure. Weitere Gärungsprozesse sind zum Beispiel die Propionsäuregärung oder die Aceton-Butanol-Ethanolgärung. Alle diese Formen der Energiegewinnung liefern weniger Energie als die Zellatmung.

• Anaerobe Atmung: Bei dieser Form des Stoffwechsels läuft die Atmungskette ab, aber anstatt Elektronen terminal auf Sauerstoff zu übertragen, werden andere Elektronenakzeptoren verwendet. Alternative Elektronenakzeptoren sind z.B. Nitrat (NO₃^-), Metallionen (Mn(IV),Fe(III)) oder auch organische Verbindungen wie Fumarat. Diese Form der Atmung produziert weniger Energie als die aerobe Atmung, da Sauerstoff aufgrund seines hohen Redoxpotentials, einer der besten Elektronenakzeptoren ist.

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Aerobe Atmung	Anaerobe Atmung	Gärung
Glukose Glykolyse Citratzyklus Elektronenübertragung auf Sauerstoff Wasser als Produkt	Glukose Glykolyse Citratzyklus Elektronenübertragung auf alternativen Akzeptor z.B. Nitrat zu Nitrit oder Fe3+ zu Fe2+	Glukose Glykolyse Elektronenübertragung auf Pyruvat Milchsäure oder Alkohol als Produkt

Anwendungen von Mikroorganismen in der Biotechnologie

Die verschiedenen Mikroorganismen sind in der Biotechnologie vielfältig einsetzbar. Vor allem Bakterien und Pilze werden heutzutage verwendet, um verschiedene Produkte herzustellen. Die Möglichkeiten sind riesig, weshalb hier für Dich nur einige der wichtigsten Beispiele aufgelistet sind:

In der Lebensmittelindustrie: Einzellige Hefen, die zu den Pilzen gehören, werden in der Produktion von Brot, Bier und Wein verwendet. Schimmelpilze werden in der Produktion von Salami und Gorgonzola verwendet. Dabei erhöhen die Mikroorganismen die Haltbarkeit der Lebensmittel und veredeln gleichzeitig den Geschmack.

Proteinproduktion: In Bakterien kann man leicht Gene anderer Lebewesen einsetzen. Mit dieser Technik lassen sich Proteine eines beliebigen Organismus exprimieren. So wurde 1978 das Blutzuckersenkende Hormon Insulin, welches als Diabetes-Medikament verwendet wird, erfolgreich in Bakterien hergestellt und geerntet, anstatt es wie bis dann herkömmlich aus Schweinen zu extrahieren. Auch Antigen Impfungen können mit Proteinen aus Bakterien hergestellt werden.

1. Menschliches Insulingen
2. "Sticky ends" am Insulingen und am Plasmid
3. Plasmid
4. Aus Bakterien isoliertes Insulin
A: Menschliches Insulingen isolieren
B: Menschliches Insulingen in Plasmid klonieren
C: Plasmid in Bakterium einfügen
D: Erfolgreich geklonte Bakterien vermehren und Insulin abernten

Werkzeuge der Gentechnologie: Bakterien können vielfältig als Werkzeuge in der Biotechnologie genutzt werden. So kann man z.B. Agrobacterium tumefaciens benutzen, um Pflanzen genetisch zu modifizieren. Aus Bakterien kann man auch «Genscheren» erhalten, wie herkömmliche Restriktionsenzyme oder CRISPR.

Quelle von Medikamenten: Ungefähr 2/3 der heutigen Medikamente stammen von natürlichen Stoffen ab. Viele davon findet man in Pilzen, wie die Cholesterin senkenden Statine oder Antibiotika wie Penicillin. Auch andere Mikroorganismen sind sehr vielfältig an biologisch aktiven Stoffen und deshalb eine gute Quelle, um neue Medikamente zu finden.

Abwasserreinigung: Um Dein Abwasser in der Kläranlage zu reinigen, braucht es auch Mikroorganismen. Dabei wird Abwasser zuerst mechanisch gereinigt und gefiltert, bevor Bakterien die restlichen organischen Substanzen im Wasser zu Schlamm verarbeiten. Dieser Schlamm wird dann im Faulturm von anaeroben Bakterien zu Biogas, Stickstoff und Kohlendioxid umgewandelt.