Mikrobiologie für Dummies (E-Book) von Jennifer Stearns

Einleitung17

Über dieses Buch 17

Törichte Annahmen über den Leser 18

Symbole in diesem Buch 18

Wie Sie dieses Buch für sich nutzen können 19

Teil I: Einführung in die Mikrobiologie 21

Kapitel 1 Mensch und Mikrobiologie23

Wozu brauchen wir die Mikrobiologie? 23

Ein Blick auf die Welt der Mikroorganismen 24

Mikrobiologie aus verschiedenen Blickwinkeln 25

Kapitel 2 Mikrobiologie: die neue Wissenschaft 27

Aberglaube und Fehleinschätzungen 28

Die Entdeckung der Mikroben 28

Der Mythos der Urzeugung wurde entlarvt 29

Gesundheit durch Hygiene, Antibiotika und Impfungen 30

Andere wichtige Entdeckungen der Mikrobiologie 32

Die Zukunft der Mikrobiologie 32

Viel Raum nach oben 33

Neue Herausforderungen meistern 33

Kapitel 3 Mikroorganismen: sind überall und können (fast) alles37

Die Diversität mikrobieller Lebensräume 38

Die metabolische Vielfalt 40

Woher stammt die Energie? 40

Woher stammt der Kohlenstoff? 41

Enzymatische Vielfalt 41

Sekundärstoffwechsel 42

Wenn Wirt und Mikroorganismus aufeinandertreffen 42

Teil II: Mikrobielles Leben unter der Lupe 45

Kapitel 4 Grundlagen der Zellstruktur und Funktion47

Zellform ist Ansichtssache 47

Leben im Mikromaßstab 48

Die Zelle im Überblick 50

Innere Membran, Zellwand und äußere Membran 50

Struktur und Funktion der inneren Membran 51

Die bakterielle Zellwand 53

Die äußere Membran gramnegativer Zellen 55

Die Zellwand der Archaeen 56

Weitere wichtige Zellbestandteile 56

Zellstrukturen der Prokaryoten 56

Aus eins mach zwei: Zellteilung 58

Transportsysteme: rein wie raus 59

Passiver Transport: immer entlang des Gradienten 59

Aktiver Transport: Energie ist gefragt 60

Aufräumen ist angesagt: Effluxpumpen 61

Wir kommen rum: Fortbewegung 61

Kapitel 5 Einblick in den Stoffwechsel63

Mit Enzymen läufts schneller 63

Ohne Energie kein Leben: Oxidation und Reduktion 65

Fast wie Billard Elektronenübertragung 66

Deals mit energiereichen Verbindungen 68

Wenn die Zeiten schlechter werden: Energiespeicher 68

Kurz und klein im Katabolismus 69

Nicht schwer zu verdauen die Glykolyse 70

Schritt für Schritt weiter: die Atmung 71

Bewegung im Spiel: die protonenmotorische Kraft 72

Es geht rund: der Citratzyklus 74

Sehr aufbauend der Anabolismus 75

Die Synthese von Aminosäuren 75

Die Synthese von Nukleinsäuren 76

Zucker- und Polysaccharidsynthese 76

Fettsäure- und Lipidsynthese 78

Kapitel 6 Genetik der Mikroorganismen81

Die Organisation des genetischen Materials 81

Ein Kochbuch fürs Leben: die DNA 82

Perfekt outgesourct: die Plasmide 84

Aus eins mach zwei: DNA-Replikation 84

Von der DNA zum Protein 89

Transkription: Synthese der mRNA 89

Transfer- und ribosomale RNAs 90

Translation: Ein Protein entsteht 90

Regulation von Proteinsynthese und Proteinaktivität 95

Transkriptionsregulation 95

Regulation auf der Ebene der Proteinaktivität 97

Kein Fortschritt ohne Veränderung 97

Nobody is perfect die Punktmutationen 98

Umbau ist angesagt nicht immer zum Vorteil 99

Transformation und Konjugation 100

Viren im Spiel: die Transduktion 101

Wenn Gene springen: die Transposition 101

Kapitel 7 Mikrobielles Wachstum messen 103

Optimale Wachstumsbedingungen identifizieren 103

Physikalische Anforderungen 103

Mikroorganismen im Labor kultivieren 106

Mikroorganismen im Blickfeld 108

Zählen im Mikrobenmaßstab 108

Ziemlich bunt: die Färbeverfahren 110

Zellteilungsrate und Zellzunahme beurteilen 112

Mal so, mal so: die Zellteilung 112

Aus eins mach viele: die Wachstumsphase 112

Hemmung des mikrobiellen Wachstums 114

Physikalische Methoden zur Entkeimung 114

Desinfektionsmittel 115

Teil III: Die Evolution des Mikrokosmos 117

Kapitel 8 Evolution der Mikroorganismen 119

Erste Organismen auf der Bühne des Lebens 119

Der Ursprung des Lebens 119

Diversifikation der frühen Prokaryoten 120

Der Einfluss von Prokaryoten auf die frühe Erde 121

Untermieter gesucht: die Endosymbiose 122

Was ist Evolution? 124

Das Evolutionsgeschehen untersuchen 126

Geeignete Markergene auswählen 127

Die Richtung des Gentransfers in Prokaryoten 128

Klassifikation und Taxonomie von Mikroorganismen 128

Weit verzweigt - der Baum des Lebens 130

Kapitel 9 Energiegewinnung und CO₂-Fixierung133

Die Selbstversorger: autotrophe Organismen 133

Fixierung von anorganischem Kohlenstoff 134

Die Energie des Lichts nutzen 137

Lichternte mit Chlorophyllen und Bakteriochlorophyllen 138

Akzessorische Pigmente: Carotinoide und Phycobiline 141

Sauerstoff erzeugen oder nicht: oxygene und anoxygene Photosynthese 141

Energie aus anorganischen Verbindungen: Chemolithotrophie 146

Wasserstoff nutzen 146

Elektronen aus dem Schwefel 147

Starke Sache: Eisen pumpen 148

Nitrat- und Ammoniakoxidation 148

Kapitel 10 Gärung und Atmung im Vergleich151

Lebensstile der Reichen und Fakultativen 151

Ein Überblick zum Einstieg 153

Einmal tief durchatmen: die Respiration 155

Wie im Kreisverkehr: der Citratzyklus 156

Immer schön treppab: die Elektronentransportkette 157

Anaerobe Atmung 158

Nitrat und Denitrifikation 159

Sulfat- und Schwefelreduktion 160

Acetogenese und Methanogenese 160

Abbau von Kohlenwasserstoffen und anderen Verbindungen 160

Bunte Vielfalt: die Gärungstypen 161

Kapitel 11 Mikrobielle Lebensräume165

Was genau ist ein Habitat? 166

Nährstoffkreisläufe verstehen 167

Der Kohlenstoffkreislauf 167

Der Stickstoffkreislauf 169

Der Schwefelkreislauf 171

Phosphorkreisläufe im Ozean 172

Mikroorganismen in Interaktion 172

Kommunikation durch Quorum Sensing 173

Das Leben im Biofilm 173

Mikrobielle Matten 174

Mikroorganismen in aquatischen und terrestrischen Lebensräumen 175

Aquatische Mikroorganismen 175

Oxygene versus anoxygene Phototrophe 176

Der Boden lebt 176

Mit Pflanzen und Tieren auskommen 177

In Interaktion mit Pflanzen 178

Mikroorganismen in Tieren 179

Symbiosen mit Insekten 181

Symbiosen mit Meeresbewohnern 181

Leben unter extremen Bedingungen 182

Mikroorganismen an unerwarteten Orten 183

Teil IV: Mikroben in Hülle und Fülle 185

Kapitel 12 Die Prokaryoten im Überblick187

Prokaryoten, Teil 1: Die Bakterien 188

Die gramnegativen Bakterien: Proteobakterien 188

Heterotrophe Lebensweise 190

Interessante Formen und Lebenszyklen 191

Weitere gramnegative Bakterien 193

Die grampositiven Bakterien 195

Prokaryoten, Teil 2: Die Archaeen 197

Manche mögens (sehr) heiß: extrem thermophile Archaeen 199

Mehr als sauer: extrem acidophile Archaeen 200

Supersalzig: extreme Halophile 201

Mesophile Archaeen 202

Kapitel 13 Bühne frei für die Eukaryoten203

Pilze 203

Mal so, mal so die Physiologie der Pilze 204

Ein kleiner Eindruck von der Pilzvielfalt 206

Interaktion mit Pflanzenwurzeln 208

Die Ascomyceten (Schlauchpilze) 209

Die Basidiomyceten (Ständerpilze) 210

Prosperierende Vielfalt: die Protisten 211

Die Apicomplexa (Sporozoen) 211

Pflanzenpathogene Peronosporomyzeten (Eipilze) 213

Die Mikro-Jäger: Ciliaten und Amöben 214

Begegnung mit den Algen 216

Kapitel 14 Die Welt der Viren221

Die Zelle fest im Griff der Viren 221

Sehr spartanisch: der Aufbau der Viren 221

Im Schnelldurchgang: die Replikation der Viren 223

Von Kopf bis Schwanz: Bakteriophagen 225

Die Viren der Eukaryoten 229

Viren, die tierische Zellen infizieren 229

Pflanzenviren auf der Spur 232

Viroide 233

Kein leichtes Opfer: wie Wirtszellen sich wehren 234

Restriktionsenzyme 234

Das CRISPR/Cas-System 235

Funkstille für RNA-Viren: RNAi 236

Teil V: Mikroorganismen und menschliche Gesundheit 237

Kapitel 15 Mikroben als Krankheitserreger239

Bollwerk gegen Pathogene: die Immunantwort 239

Infektionsbarrieren aufbauen 240

Gleich die rote Fahne hissen: Entzündungen 240

Erst mal die Stellung halten: die angeborene Immunantwort 241

Das adaptive Immunsystem rückt aus 242

Antikörper in Aktion 244

Antimikrobielle therapeutische Wirkstoffe 246

Grundlegende Eigenschaften der Antibiotika 246

Ziele der Zerstörung 248

Mechanismen der Antibiotikaresistenz 249

Dringend gesucht: neue Antibiotika 251

Fahnden nach den »Superbugs« 252

Vancomycin-resistenten Enterokokken einen Schritt voraus sein 253

Kampf gegen Methicillin-resistente Staphylococcus aureus 253

Der Konkurrenz unterlegen:Clostridioides difficile255

Beta-Lactamasen mit erweitertem Spektrum 255

Präbiotika und Probiotika 256

Antivirale Medikamente 257

Kapitel 16 Mikroben im Einsatz: die Biotechnologie259

Rekombinante DNA-Technologie 259

Welche Gene suche ich? 260

Warum Plasmide so nützlich sind 263

Schneiden mit Restriktionsenzymen 264

Mikroorganismen dazu bringen, DNA aufzunehmen 266

Promotoren zur Expressionssteigerung 268

Von der DNA zum Protein: Expressionsvektoren 268

Origami mit Proteinen: die korrekte Faltung 269

Wenn fremde Gene lästig sind 270

Klonierung großer DNA-Konstrukte mit zahlreichen Genen 271

Therapien besser, schneller und billiger machen 273

Noch Raum nach oben: Antibiotika verbessern 273

Impfstoffe entwickeln 274

Mikroorganismen industriell nutzen 274

Mikrobiell produzierte Pflanzenschutzmittel 275

Mikrobiell produzierte Biokraftstoffe 276

Bioleaching von Metallen 276

Umweltschutz mit Mikroorganismen 277

Kapitel 17 Der Kampf gegen Infektionserreger279

Gesundheitsschutz in der Gesellschaft: Epidemiologie 279

Wer ist infiziert und warum? 279

Ausbrüche untersuchen 280

Wo steckt der Erreger? 281

Der Weg von Wirt zu Wirt 281

Den Ausbruch unter Kontrolle halten 282

Diagnostik mikrobieller Pathogene 283

Charakterisierung anhand der Morphologie 283

Nachweis mit biochemischen Verfahren 284

Diagnostik mit einer Phagentypisierung 286

Mit Serologie punkten 287

Sensitivität gegenüber Antibiotika testen 288

Infektionserkrankungen eindämmen 289

Wie Impfstoffe wirken 290

Mehr oder weniger sicher: Arten von Impfstoffen 291

Teil VI: Neue Herausforderungen meistern 293

Kapitel 18 Mikrobielle Ökosysteme im Fokus295

Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften 295

Aus der Ökologie entlehnt 295

Warum mikrobielle Gemeinschaften anders sind 296

Methoden der mikrobiellen Ökologie 296

Mit Anreicherung locken 296

Fluoreszenzfarbstoffe in der Mikroskopie 297

Messung der mikrobiellen Aktivität 299

Artbestimmung mit Markergenen 299

Es geht ans Eingemachte: Sequenzierung& Co. 300

Genomsequenzierung 300

Vom Einzelgenom zum Metagenom 302

Mikrobielle Transkriptome lesen 303

Es geht noch weiter: Proteomik und Metabolomik 304

Die (mikrobielle) Spitze des Eisbergs 305

Kapitel 19 Synthetische Biochemie307

Regulation der Genexpression: daslac-Operon 308

Nicht ganz so dicht 309

Ein gutes System optimieren 309

Genetische Netzwerke entwickeln 312

Von einem Zustand in den anderen wechseln 312

Oszillieren zwischen Zuständen 313

Die Toolbox des synthetischen Biologen 315

Module für den Eigenbau 315

Teilnahme am iGEM-Wettbewerb 315

Teil VII: Der Top Ten-Teil 317

Kapitel 20 (Fast) zehn gefährliche Krankheiten durch Mikroben 319

Ebola 320

Milzbrand 320

Grippe 321

Tuberkulose 321

HIV 322

Cholera 322

Pocken 323

Primäre Amöben-Menigoenzephalitis 323

Neue Gefahren im Anmarsch 324

Kapitel 21 Zehn wichtige Anwendungen für Mikroorganismen325

Bereicherung des Speiseplans 325

Biodüngen mit Hülsenfrüchten 326

Bier, Wein und Schnaps produzieren 326

Insektenschädlinge töten 326

Reinigung und Klärung von Abwasser 327

Beitrag zur Medizin und Schönheit 327

Starthilfe für Ihr Aquarium 328

Biobasierte Kunststoffe 328

Kompostierbare Abfälle 329

Die Balance des Körpers erhalten 329

Stichwortverzeichnis 331