Medizinische Mikrobiologie: Allgemeine Bakteriologie

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Was sind Bakterien?

Tree of life.

Bakterien (Bacteria) (altgriechisch bakterion – Stäbchen) bilden neben den Eukaryonten (Lebewesen mit echtem Zellkern (Nucleus)) und Archaeen eine der drei grundlegenden Domänen, in die heute alle Lebewesen eingeteilt werden.

Traditionell wird die Bezeichnung "Bakterien" in der Mikrobiologie für alle mikroskopisch kleinen, meistens einzelligen Organismen gebraucht, die keinen echten Zellkern besitzen und deshalb zu den Prokaryoten gehören. Hierzu zählen auch die Archaeen, die heute einer separaten Domäne zugeordnet werden. Zur Abgrenzung von dieser Gruppe spricht man manchmal auch von Eigentlichen Bakterien oder Echten Bakterien. Früher wurden sie zur Unterscheidung von den dann Archaebacteria genannten Archaeen mit wissenschaftlichem Namen auch Eubacteria genannt. Dies war eine unglückliche Benennung, weil es auch eine Bakteriengattung Eubacterium gab. Da alle humanpathogene Bakterien echte Bakterien sind, ist mit "Bakterien" in diesem Buch immer die Domäne Bacteria gemeint.

Bei Bakterien bzw. Prokaryoten ist die DNA nicht in einem vom Zytoplasma durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern (Nucleus) enthalten wie bei Eukaryonten, sondern sie liegt als Kernäquivalent bzw. Nucleoid frei im Zytoplasma vor. Weiterhin besitzen Prokaryoten keine membranumschlossenen Zellorganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten (Pflanzen), Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat usw.

Bakterien wurden erstmalig 1676 von Antoni van Leeuwenhoek mit Hilfe eines selbstgebauten Mikroskops in Gewässern und im menschlichen Speichel beobachtet und von ihm in Berichten an die Royal Society of London beschrieben.

Im Jahr 1999 wurde das größte bislang bekannte Bakterium entdeckt: Die so genannte Schwefelperle von Namibia, Thiomargarita namibiensis, ist mit einem Durchmesser von bis zu einem dreiviertel Millimeter ein bereits mit bloßem Auge sichtbares Schwefelbakterium.

Morphologie

Morphologie der Bakterien

Nach der äußeren Form lassen sich Bakterien in Kokken (kugelförmige Bakterien z. B. Staphylokokken), Stäbchen, wendelförmige („spiralige“) Stäbchen (z. B. Treponema, Helicobacter) und Mycelbildner (Mycel = umfangreiches Gebilde aus meistens verzweigten Fäden, z. B. Actinomyces, Streptomyces) einteilen. Daneben gibt es noch fusiforme Bakterien (Stäbchen mit zugespitzten Enden, z. B. Fusobakterien), semmelförmige Stäbchen (z. B. Vibrionen), keulenförmige Stäbchen (Corynebakterien) und einige andere Formen. Manche Bakterien ordnen sich in typischer Gruppierung an, z. B. in Zweierpärchen (Diplokokken wie z. B. Pneumokokken), in Haufen (z. B. Staphylococcus aureus) oder Ketten (z. B. Streptokokken). Einige Bakterien weisen auch eine Schleimkapsel auf, mit der sich die Bakterien vor der Phagozytose schützen, so z. B. Pneumokokken, Meningokokken und Haemophilus influenzae.

Lage und Aussehen bakterieller Sporen.

Die Art der Begeißelung - sofern vorhanden - lässt sich als peritrich (rundum begeißelt), lophotrich (mehrere Geißeln an einem Bakterienpol), amphitrich (an jedem Pol eine oder mehrere Geißeln) oder monotrich (eine Geißel) begeißelt beschreiben. Geißeln dienen aktiver Bewegung.

Sporenbildner (z. B. Bacillus, Clostridien) lassen sich aufgrund der Lage (zentral, terminal, extern) und Verformung des Bakteriums durch die Spore (mit oder ohne Auftreibung) sowie anhand des Aussehens freier Sporen unterscheiden.

Färbungsverhalten

Bacillus cereus, lichtmikroskopisch, Gram-Färbung: grampositiv

Pseudomonas aeruginosa, lichtmikroskopisch, Gram-Färbung: gramnegativ

Die  Gram-Färbung ist eine Methode zur differenzierenden Färbung von Bakterien. Sie ist nach dem dänischen Arzt und Bakteriologen  Hans Christian Gram benannt, der sie am Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte. Verschiedene Bakterien reagieren auf diese Färbung unterschiedlich. Daraus folgt eine Einteilung in sog.

• grampositive Bakterien, die nach dem Färbegang dunkelblau erscheinen, und
• gramnegative Bakterien, die ungefärbt sind. Sie können nachträglich mittels  Fuchsin rot gefärbt werden (bei Verwendung der  Phasenkontrastmikroskopie ist dies nicht mehr notwendig.)
  

Dies ist ein wichtiges Kriterium für die Unterscheidung verschiedener Bakterien nach der Struktur ihrer Zellwand.
Bedeutend ist das Färbeverfahren beispielsweise bei der Diagnostik von Infektionskrankheiten. „Grampositive“ und „gramnegative“ Bakterien reagieren unterschiedlich auf  Antibiotika. Mit dieser schnellen diagnostischen Methode kann man in kurzer Zeit (in etwa fünf Minuten) anhand eines Abstriches das „Gramverhalten“ der Bakterien bestimmen. Damit hat man die Möglichkeit, sofort mit einer oft lebensrettenden antibiotischen Therapie zu beginnen, bevor das Ergebnis der oft mehrere Tage dauernden definitiven Identifizierung der bakteriellen Erreger vorliegt.

siehe auch weiter unten den Abschnitt über die Bakterienwand.

So einfach ist die Methode nicht. "Der Kritische Vorgang bei der Gram-Färbung ist die Entfärbung mit Alkohol. Zu kurze Alkoholeinwirkung hat zur Folge, daß gramnegative Keime positiv erscheinen; zu lange Alkoholbehandlung führt zu Entfärbung grampositiver Keime. Eine nicht optimale Entfärbung ist auch an den Zellen, z.B. Leukozyten zu erkennen. Bei ungenügender Entfärbung erscheinen Zellkerne und Zellplasma tiefblau, bei zu starker Entfärbung sind hingegen beide rot." Seeliger,H, G.Schröter. Medizinische Mikrobiologie,Urban und Schwarzenberg, 1990, S 19.--Meta-kaercher 13:21, 25. Jul. 2012 (CEST)

Stoffwechsel

Energie- und Stoffaufnahme

Einige Bakterien sind zur Photosynthese fähig, also phototroph, zum Beispiel die früher auch Blaualgen genannten Cyanobakterien, die meisten sind dagegen chemotroph. Von den Chemotrophen sind die meisten heterotroph (auf organische Verbindungen angewiesen), einige jedoch chemoautotroph, und zwar lithoautotroph.

Aerob - Anaerob

Lebensweise und Stoffwechsel der Bakterien können sehr verschieden sein. So gibt es Bakterien, die Sauerstoff benötigen (aerobe Bakterien oder Aerobier), Bakterien, auf die Sauerstoff meist wegen des Fehlens der O₂-Radikal-Eliminatoren Katalase und Superoxiddismutase toxisch wirkt (obligat anaerobe Bakterien bzw. obligate Anaerobier), und Bakterien, die sowohl Sauerstoff als auch Sauerstoffmangel aushalten (fakultative Anaerobier).

Lebensraum

• freilebend
• intrazellulär lebend

Aufbau

Erbgut

Nucleoid

Nucleoide bestehen aus der frei im Zytoplasma liegenden meist zirkulären DNA des Bakteriums. Das Genom des Darmbakteriums Escherichia coli besteht aus knapp 4,7 Millionen Basenpaaren, deren Sequenz vollständig bekannt ist. Das DNA-Molekül ist etwa 1,4 mm lang, was etwa dem Tausendfachen des Zelldurchmessers entspricht, aber nur 2 nm breit und enthält rund 4.400 Gene. Die nach rechts gewundene DNA-Doppelhelix ist durch Verdrillung nach links stark verkürzt und in einem Bereich von etwa der Hälfte des Zelldurchmessers komprimiert (Nucleoid). Die Verdrillung wird durch das bakterielle Enzym Gyrase gewährleistet. Letzteres ist auch das pharmakologische Target der Antibiotikaklasse der 4-Chinolone wie z.B. Ciprofloxacin.

Plasmide

Plasmide sind kleine, ringförmige, zusätzliche DNA-Moleküle, die für das Überleben des Bakteriums nicht unbedingt notwendig sind. Sie kodieren z.B. Resistenzgene, Toxine u.ä. und werden unabhängig vom Bakterienchromosom vervielfältigt und bei der Fortpflanzung weitergegeben oder von einem Individuum auf ein anderes übertragen.

Zytoplasma

Das Zytoplasma besteht hauptsächlich aus Wasser und enthält u.a. Proteine und kleinmolekulare Substanzen wie Salze, Glucose, Speicherstoffe u.ä.

Ribosomen

Bakterielle 70S-Ribosomen bestehen aus einem 30S- und einem 50S-Teil. An ihnen findet die Translation der mRNA in die Aminosäurekette, also die Proteinbiosynthese statt. Der Translationsprozess am bakteriellen Ribosom lässt sich durch zahlreiche Antibiotika blockieren, so z.B. mit Aminoglykosiden, Makroliden, Ketoliden, Lincosaminen, Tetracyclinen, Chloramphenicol, Streptograminen und Oxazolidonen.

Zellmembran

Die Zellmembran, auch als Zytoplasmamembran bezeichnet, besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht, in die zahlreiche Proteine, z.B. Porine, Transportproteine, Enzyme der Atmungskette, Mureinsyntheseproteine und Signalproteine integriert sind.

Zellwand

Murein

N-Acetylmuraminsäure und N-Acetylglucosamin, die beiden Zuckerbestandteile des Muramins.

Zucker und Aminosäurenbestandteile des Mureins von E. coli.

Das fertige Murein-Netz.

Sowohl Gram-positive als auch Gram-negative Bakterien (Domäne Bacteria) besitzen in ihrer Zellwand eine Festigkeit verleihende Schicht aus Murein, einem Peptidoglycan (PGN). Der Unterschied zwischen beiden Gruppen besteht u.a. in der Dicke der Hülle (Gram-positiv: 20-80 nm; Gram-negativ: < 10 nm).

Murein besteht aus Strängen der zwei miteinander verknüpften Zuckerderivatmoleküle N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, die das Rückgrat bilden. Von jedem N-Acetylmuraminsäure-Molekül geht - an dessen Pyruvatgruppe gebunden - eine Oligopeptidkette zu einem N-Acetylmuraminsäure-Molekül eines benachbarten Stranges. Die parallel angeordneten Stränge sind auf diese Weise quervernetzt. Das Murein bildet so ein flächiges Netz, das die Oberfläche der Bakterienzelle umspannt.

Ein Bakterium ist also von einem einzigen Murein-Molekül umgeben. Es können mehrere Mureinnetze übereinander angeordnet sein. Dann sind die Murein-Schichten durch Oligopeptide verbunden. Vielschichtig ist das Murein insbesondere bei grampositiven Bakterien. Murein ist nicht bei allen Bakterien gleich aufgebaut, es variieren die Aminosäuren der Oligopeptide, aber das Rückgrat ist im Wesentlichen immer gleich. Grampositive Bakterien variieren stärker.

Die Mureinhülle hält den Bakterienprotoplasten gegen den osmotischen Binnendruck zusammen. Wird der Murein-Sacculus aufgelöst, zum Beispiel durch das Enzym Lysozym (Tränenflüssigkeit), platzt das Bakterium. Beim Wachstum eines Bakteriums muss deshalb das Mureinnetz erweitert werden, ohne dass eine größere Lücke entsteht. Mureinbausteine werden im Cytoplasma synthetisiert und mit Hilfe des Enzyms Bactoprenol exportiert. In dem außerhalb der Cytoplasmamembran gelegenen Mureinnetz werden durch spezifische lytische Enzyme lokal begrenzt Bindungen in den Rückgratsträngen und in den Oligopeptiden gelöst und die vorgefertigten und exportierten Mureinbausteine durch spezifische Enzyme wie z.B. der Peptidyltransferase (=Penicillin-bindende Proteine) integriert. Die Erweiterung des Mureins erfordert also ein genaues Zusammenspiel verschiedener Enzyme. Wird dieses Zusammenspiel gestört, platzt das Bakterium. Antibiotika wie z.B. β-Lactam-Antibiotika, Glycopeptide und Fosfomycin greifen in dieses Zusammenspiel störend ein.

Die Zellwand Gram-positiver Bakterien

Gram-positive Bakterien besitzen eine 20-80nm dicke Mureinschicht aus bis zu 40 Mureinlagen, in der verschiedene Lipoteichon- und Teichonsäuren eingelagert sind, die in die Umgebung ragen und z.B. das Komplementsystem oder Makrophagen aktivieren. Daneben können verschiedene Proteine in der Zellwand eingelagert sein, die für die Adhärenz (Clumping-factor und Fibronektin-Bindeprotein von S. aureus) oder Pathogenität (M-Protein von S. pyogenes) verantwortlich sind.

Die Zellwand Gram-negativer Bakterien

Die Zellwand Gram-negativer Bakterien besteht aus einer dünnen bis 10 nm dicken Mureinschicht, die von einer Lipiddoppelschicht, der sogenannten Äußeren Membran, bedeckt ist. Letztere ist mit der Mureinschicht über die outer membrane poteins (OmpA) und das Mureinlipoprotein verbunden. In der Äußeren Membran Gram-negativer Bakterien finden sich Lipopolysaccharide (LPS), die als Endotoxine wirken. Sie bestehen aus dem Lipoid A (der Zytokininduktor), dem Kern-Polysaccharid (Core) und der O-spezifischen Polysaccharidkette (das O-Antigen), mit deren Hilfe z.B. Salmonellen typisiert werden.

Kapsel

Manche Bakterien schützen sich mit einer Polysaccharid-Kapsel vor Phagozytose, so z.B. Pneumokokken, Meningokokken und Haemophilus influenzae. Aufgrund der antigenen Eigenschaften lassen sich verschiedene Kapseltypen differenzieren.

Geißeln (Flagellen)

Begeiselungs-Typen, A: monotrich, B: lophotrich, C: amphitrich, D: peritrich.

Geißeln (Flagellen) dienen der Fortbewegung. Sie bestehen aus Flagellin und sind mit einem Motorkomplex in der Zellmembran (bzw. den Zellmembranen) und der Zellwand verankert. Der Motorkomplex setzt einen Konzentrationsunterschied an Protonen zwischen den beiden Seiten der inneren Zellmembran in eine Drehbewegung des auf einem gekrümmten "Haken" sitzenden Filamentes um und folgt damit einem ähnlichen Bauprinzip wie die ATP-Synthase.

Nach Anordnung und Anzahl der Flagellen unterscheidet man verschiedene Begeißelungstypen (in der Reihenfolge steigender Schwimmgeschwindigkeit):

• peritrich: Viele Flagellen sind gleichmäßig über die Zelloberfläche verstreut.
• polytrich-bipolar: Die Flagellen stehen in zwei gegenüberliegenden Gruppen an den Zellpolen.
• polytrich-monopolar: Die Flagellen stehen in einer Gruppe an einem der Zellpole (auch als lophotrich bezeichnet).
• amphitrich: Die Zelle hat nur zwei Flagellen, die an gegenüberliegenden Zellpolen stehen.
• monotrich: Die Zelle hat nur eine einzige Flagelle.
• lateral, seitliche Begeißelung: Geißeln stehen seitlich, nicht an den Polen der Zelle.

Geißelantigene (H-Gene; H für hauchförmiges Wachstum auf Agar) dienen neben den genannten O-Antigenen (O: ohne Hauch) bei Enterobakterien der Typisierung.

Weblink: Animation des Flagellenmotors (Eine Homepage der Intelligent-Design-Bewegung)., The Bacterial Flagellar Hook: A Molecular Universal Joint

Fimbrien und Konjugationspili

Einige Bakterien besitzen Pili, auch als Fimbrien bezeichnet. Das sind verschieden lange und in verschiedener Anzahl auf Bakterien vorkommende fädige Anhänge aus Protein, mit denen sich die Bakterien an Grenzflächen anheften können.

Konjugationspili (Sexpili) dienen der Verbindung zwischen zwei Bakterien zum Zweck eines Gentransfers.

Sporen

Sporen sind gegenüber Wärme, Kälte und Trockenheit hochresistente und langlebige Dauerformen, in die die Bakterien bei widrigen Umweltbedingungen übergehen. Man unterscheidet verschiedene Typen von Sporen. Endosporen werden im Inneren von Bakterien gebildet, sie kommen z.B. bei Clostridium- und Bacillus-Arten vor. Meistens wird je Zelle nur eine Endospore gebildet, die durch Zerfall der Mutterzelle freigesetzt wird. In dem Fall dienen sie also nicht der Vermehrung, sondern nur der Überdauerung und Verbreitung. Als Arthrosporen (auch Oidiosporen) bezeichnet man Sporen, die unter Zergliederung von Hyphen mycelbildender Mikroben gebildet werden. Sie kommen z.B. bei Streptomyceten und Actinomyceten vor und dienen nicht nur der Überdauerung, sondern auch der Vermehrung und Verbreitung. Chlamydosporen werden durch Umhüllung einer speziellen Hefenart mit einer dicken, resistenten Sporenhülle gebildet, wobei beispielsweise Candida albicans in einen Ruhezustand übergeht. Chlamydosporen haben nichts mit Chlamydien zu tun, dies sind gramnegative Bakterien ohne Sporenbildung. Die Bezeichnung Chlamydosporen ist nach heutiger Sicht taxonomisch falsch und führt zu vielen Verwirrungen. Pilze haben noch mehrere andere Formen von Sporen: Konidiosporen entstehen durch Abschnürung, Zoosporen sind begeißelt (und damit beweglich), Ascosporen ein haploides Meioseprodukt.

Biofilmbildung

Einige Bakterien können eine extrazelluläre glycosidische Matrix bilden, in der sie vor dem Immunsystem und Antibiotika geschützt sind. Biofilmbildung stellt ein Problem bei allen Arten von künstlichen Implantaten dar. Nachdem der Körper die Implantate mit Fibrinogen u.a. körpereigenen Substanzen überzogen hat, können sich Bakterien dort anheften, vermehren und eine bis zu mehrere Millimeter dicke Schleimschicht aufbauen.

Genetik

Bakterielle DNA

Die bakterielle Desoxyribonukleinsäure ist meist zirkulär und stark verdrillt organisiert und liegt frei im Plasma (Nucleosid). Weitere kleine und für die Zelle nicht essentielle Nucleinsäurenringe liegen als Plasmide vor. Im Ggs. zur eukaryontischen DNA enthält die bakterielle DNA keine Introns.

Replikation

Die Replikation verläuft ähnlich wie bei Eukaryonten ab, z.T. aber deutlich schneller. Der DNA-Doppelstrang wird entwunden und trennt sich an den origins of replication in zwei Einzelstränge auf. An diesen Stellen wird die neue DNA durch die DNA-Polymerase komplementär synthetisiert und es entstehen "semikonservativ" zwei identische Tochter-DNA-Doppelhelix-Moleküle, die jeweils einen neuen und einen alten (konservierten) Strang enthalten.

Transkription

Lactose inaktiviert den Lac-Repressor, so dass die Lactosestoffwechsel-Gene abgelesen werden.

Ohne Lactose verhindert der Lac-Repressor das Ablesen.

Weitergabe eines Plasmids durch Konjugation.

Die Information auf der DNA wird in die komplementäre mRNA, rRNA und tRNA umgeschrieben. Die Genabschnitte werden von Regulatorgenen (Promotoren) und Terminationssequenzen flankiert. Mehrere Gene, die an den gleichen Stoffwechselprozessen beteiligt sind können einem gemeinsamen Regulator unterstehen und bilden ein Regulon. Sind diese Gene auf dem Chromosom direkt hintereinander angeordnet spricht man von einem Operon. Beispiel (siehe Bild): Enzyme des Lactoseabbaus werden sinnvollerweise dann abgelesen, wenn auch Lactose vorhanden ist. Dies geschieht, indem Lactose den zuständigen Transkriptionsrepressor (kodiert vom Regulatorgen) inaktiviert und dadurch den Operator freigibt.

Translation

Die mRNA wird an den 70S-Ribosomen in die Aminosäurensequenz des zukünftigen Proteins übersetzt. Die mRNA kann dabei von mehreren Ribosomen gleichzeitig abgelesen werden.

Regulation der Genexpression

Die Genexpression wird über verschiedene Transkriptionsfaktoren (Regulatorgene) reguliert, die wiederum von anderen Effektoren angesteuert werden.

Mechanismen der Vielfalt

Mutation

Punktmutationen und Leserasterverschiebungen durch Additionen und Deletionen können spontan auftreten oder durch mutagene Agentien (radioaktive Strahlung, UV-Strahlung, Alkylantien) induziert werden.

Rekombination

Unter Rekombination versteht man den Austausch von Genabschnitten innerhalb des Bakteriengenoms an Stellen von Sequenzübereinstimmungen. Man unterscheidet die homologe Rekombination, bei der korrespondierende Sequenzen homologer Gene exakt ausgetauscht werden (Bsp.: Durch Austausch verschiedener Genkassetten des Pilins kann Neisseria gonorrhoae seine Antigenität ständig verändern und damit der Wirtsabwehr entgehen). Zum zweiten gibt es die ortsspezifische Rekombination bei der nur kurze Basensequenzen übereinstimmen müssen. Dieser Mechanismus liegt z.B. der Integration von Phagen-DNA in das Bakterienchromosom zugrunde.

Transposition

Transposition ist die "Rekombination" zwischen Genabschnitten, die keine Homologien aufweisen. Die mobilen DNA-Abschnitte heißen Transposons.

Gentransfer

Bakterien können über verschiedene Mechanismen Genmaterial untereinander austauschen.

Transformation

Bakterien können freie DNA aufnehmen und in das eigene Genom integrieren.

Transduktion

Bei der Transduktion wird die DNA durch einen Bakteriophagen von einem Donor auf den Rezeptor übertragen.

Konjugation

Konjugation ist der Austausch von Genmaterial zwischen zwei Bakterien durch direkten Zell-Zell-Kontakt z.B. mittels Konjugationspili.

Vermehrung

Die Vermehrung der Bakterien erfolgt meistens asexuell durch Zellteilung, bei zylindrischen durch Querteilung, bei einigen durch Knospung. Mycelbildende Bakterien vermehren sich oft durch Sporenbildung.

Übertragung von genetischen Informationen

Wird Genommaterial durch direkten Kontakt (Konjugation) von einer Bakterienzelle auf eine andere übertragen, bezeichnet man das als horizontalen Gentransfer. Für den direkten Kontakt produzieren einige Bakterien so genannte F-Pili (Fertilitätspili, Proteinröhren), mit deren Hilfe DNA von einer Zelle zur anderen übertragen werden kann. Die DNA-Übertragung kann auch ohne diese Pili erfolgen, wenn sich zwei Bakterienzellen eng aneinander legen.

Wachstum

Bakterienwachstum und -vermehrung folgt im nahrungstechnisch und räumlich abgeschlossenen System einer Bakterienkultur einer charakteristischen Wachstumskurve:

• Lag-Phase: Am Anfang sind Wachstum und Vermehrung gering, die Bakterien "akklimatisieren" sich an das herrschende Milieu.
• Beschleunigungsphase: Wachstum und Vermehrung beginnen und werden immer schneller.
• Exponentielle Phase: Die Bakterien vermehren sich exponentiell.
• Verzögerungsphase: Wachstum und Vermehrung werden langsamer.
• Stationäre Phase: Die Population bleibt stabil, Bakterienmasse und -anzahl nehmen nicht mehr zu, die Ressourcen werden voll ausgeschöpft, Wachstum und Absterben halten sich die Waage.
• Absterbephase: Durch Nahrungsverknappung, Anhäufung toxischer Stoffwechselendprodukte und dergleichen sterben die Bakterien ab.

Resistenz

Unter dem Begriff  Antibiotika-Resistenz werden Eigenschaften von Mikroorganismen (Bakterien, Protozoen, Pilze) zusammengefasst, die es ihnen ermöglichen die Wirkung von antibiotisch aktiven Substanzen abzuschwächen oder ganz zu neutralisieren. Resistenz gegen Antibiotika tritt meist in Kombination oder als Anpassung an extreme Umweltbedingungen auf. So sind Streptomyceten als bodenbewohnende Bakterien nicht nur resistent gegen viele Umwelttoxine sondern auch gegen praktisch alle aktuell eingesetzten antibiotischen Wirkstoffe. Antibiotikaproduzenten wie Streptomyceten besitzen in den meisten Fällen Resistenzen gegen die von ihnen selbst erzeugten Stoffe.

Resistenzmechanismen

• Bakterielle Penicillinasen inaktivieren Penicillin
• Bakterielle β-Lactamasen spalten β-Lactam-Antibiotika
• Bakterielle modifizierte Penicillin-bindende-Proteine (PBP) mit geringer Affinität zu β-Lactam-Antibiotika
• Veränderung anderer Zielmoleküle
• Veränderung der Zellpermeabilität
• Synthese von Transportermolekülen (Effluxmechanismen), dazu gehören die sog. Multi Drug Resistance (MDR)-Proteine.

Entstehung

Bakterien besitzen oft eine sehr kurze Generationszeit, ihre Biomasse verdoppelt sich unter günstigen Bedingungen schon innerhalb von 20-30 Minuten. Vorteilhafte Mutationen können so relativ schnell entstehen. Verstärkt wird diese Tendenz durch eine Reihe von „mobilen Elementen“. Das sind DNA-Abschnitte, die im (Bakterien)-Chromosom oder außerhalb davon als Plasmide, Integrons, Transposons vorkommen. Sie übertragen "Resistenzkassetten" selbst zwischen wenig verwandten Arten.

Gegen manche Antibiotika bilden sich schneller Resistenzen als gegen andere. So bilden sich z.B. gegen  Makrolide schnell Resistenzen, weil sie nur ein bestimmtes Enzym hemmen (Einschritt-Resistenzmuster). Ist das Bakterienenzym mutiert, wirken sie unter Umständen nicht mehr. Deshalb gibt es gegen Makrolide bereits zunehmend Resistenzen, obwohl sie erst in den 90er Jahren entwickelt wurden. Dagegen greift Penicillin an sechs verschiedenen sogenannten Penicillin-Binding-Proteins an. Es wird heute noch für viele Indikationen verwendet, obwohl es schon seit Jahrzehnten existiert.

Bisweilen setzt man Kombinationen von Antibiotika ein, um die Entwicklung von Resistenzen unwahrscheinlicher zu machen und die Wirkung zu verstärken. Daneben kann es auch sinnvoll sein, denselben Stoffwechselweg an unterschiedlichen Stellen zu hemmen.

Resistenzbestimmung

Es werden in der Regel automatisierte und in jedem Fall standardisierte Verfahren angewendet. Nach der Resistenzbestimmung werden die nachgewiesenen Keime als

• S - sensibel,
• I - Intermediär oder
• R - resistent

bezeichnet. Die Resistenzbestimmung dient dem Mikrobiologen und dem behandelnden Arzt zur Auswahl einer gezielten antibiotischen Therapie.

Arten der Antibiotikaresistenz

Je nach Ursprung der Resistenz lassen sich diese in verschiedene Klassen einteilen.

• Primäre Resistenz: Als primär wird eine Resistenz bezeichnet, wenn ein Antibiotikum bei einer bestimmten Gattung eine Wirkungslücke besitzt. So wirken beispielsweise  Cephalosporine nicht bei Enterokokken und  Ampicillin nicht bei Pseudomonas aeruginosa

• Sekundäre oder erworbene Resistenz: Diese Form der Resistenz zeichnet sich durch den Verlust der Wirksamkeit eines Antibiotikums bei einem primär nicht resistenten Bakterium aus. Sie kann spontan durch Mutation oder durch Übertragung entstehen.
  • Resistenz durch Mutation: Mutationen im Genom finden natürlicherweise in einer Größenordnung von ca. 10^-7 statt. Die Mutationsrate kann sich jedoch sprunghaft erhöhen, wenn durch spezifische Faktoren das Korrekturlesen ("proof reading"), der DNA-Polymerase deaktiviert wird. Das kann ein Weg sein schneller Resistenzen oder günstige Eigenschaften zu erwerben. Sie können zur Resistenz gegen ein Antibiotikum führen, welche sodann bei Exposition zum entsprechenden Antibiotikum zu einem Selektionsvorteil führt.
  • Resistenz durch Übertragung: Bakterien können untereinander genetische Informationen übertragen, die auf  Plasmiden, Transposons und Integrons lokalisiert sind.

Vorkommen

In den USA sind etwa 70% der in Krankenhäusern erworbenen infektiösen Keime resistent gegen mindestens ein Antibiotikum. Oft sind Patienten mit Bakterienstämmen infiziert, die gegen mehrere Antibiotika resistent sind ( Multiresistenz).

Sogenannte Problemkeime sind dabei vor allem

• der  Methicillin-resistente S. aureus (MRSA),
• Pseudomonas,
• Escherichia coli und
• Mycobacterium tuberculosis.

Bakteriophagen - die Viren der Bakterien

Schematischer Aufbau eines komplexen Bakteriophagen.

γ-Phagen.

Bakteriophagen werden nach ihrer morphologischen Struktur, ihrem Erbmaterial und ihrem Wirt eingeteilt. So unterscheidet man DNA-Phagen mit einsträngiger DNA, so genannte ss-DNA-Phagen (von engl. single-stranded) und doppelsträngiger DNA, sogenannte ds-DNA-Phagen (von engl. double-stranded). Die hier exemplarisch behandelten Escherichia coli-Phagen der T-Reihe werden zu letzterer Gruppe gezählt. Sie zeichnen sich gegenüber anderen Bakteriophagen durch einen relativ komplexen Aufbau aus. Grundlegend setzen sich die sogenannten T-Phagen aus einer Grundplatte, einem Injektionsapparat und einem Kopf, dem so genannten Capsid zusammen. Die Grundplatte (die wie Capsid und Injektionsapparat aus Proteinen aufgebaut ist) ist mit Schwanzfibern und spikes besetzt, die der Adsorption auf der Wirtszellwand dienen. Der Injektionsapparat besteht aus einem dünnen Rohr, auch Schwanzrohr genannt, durch das die Phagen-DNA in die Wirtszelle injiziert wird. Das Rohr wird von einer kontraktilen Schwanzscheide umhüllt, die sich während der Injektion zusammenzieht. Das Capsid ist aus 20 gleichartigen, dreieckigen Proteinplatten, den Capsomeren, zu einem Ikosaeder aufgebaut und enthält die DNA des Phagen. Aufgrund dieses Aufbaus zählen die E. coli-T-Phagen zu den strukturell komplexesten Viren. Phagen mit einsträngiger DNA sind dagegen meist klein, sphärisch und schwanzlos oder filamentös. Die ebenfalls auftretenden RNA-Phagen bestehen meist (soweit bis zu diesem Zeitpunkt beschrieben) aus einer Proteinhülle, die ein einsträngiges RNA-Molekül umschließt. Der Durchmesser dieser Phagen beträgt etwa 25 nm, sie gehören also zu den kleinsten Phagen.

Viren benötigen mangels eines eigenen Stoffwechsels zur Reproduktion einen Wirt, im Falle der Bakteriophagen eine lebende (geeignete) Bakterienzelle. Die Reproduktion lässt sich in fünf Phasen untergliedern:

• Adsorption an spezifische Zellwandrezeptoren,
• Injektion der Phagen-DNA in die Wirtszelle,
• Transkription des Virusgenoms, Translation der viralen mRNA, Replikation der Virusnukleinsäure und Entstehung von Virusbauteilen,
• Zusammenbau zu reifen Phagenpartikeln, dem assembly,
• Freisetzung der fertigen Viruspartikel durch Lysis der Wirtszelle.

Die beschriebene Vermehrung von Phagen nennt man lytischen Vermehrungszyklus bzw. Infektionszyklus, da sie mit der Zerstörung der Wirtszelle einhergeht. Daneben gibt es den lysogenen Vermehrungszyklus, bei dem nicht der Phage, sondern nur sein Bauplan als DNA kodiert im Bakteriengenom vorliegt und nicht transkribiert wird. Die latent in das Bakteriengenom integrierte (oder als Plasmid vorliegende) und ruhende Phagen-DNA nennt man Prophage. Der lysogene Prophage repliziert sich zusammen mit der Bakterien-DNA und kann unter bestimmten Bedingungen wieder in das lytische Stadium übergehen.

Bakteriophagen können für den Austausch von Genmaterial wie Virulenz- und Resistenzgene innerhalb einer Bakterienart und zwischen verwandten Bakterienarten verantwortlich sein.

Endosymbiontentheorie

Aufgrund biochemischer Untersuchungen nimmt man heute an, dass einige Organellen, die in den Zellen vieler Eukaryonten vorkommen, ursprünglich eigenständige Bakterien waren (Endosymbiontentheorie); dies betrifft die Chloroplasten und die Mitochondrien. Diese Organellen zeichnen sich durch eine Doppelmembran aus und enthalten eine eigene zirkuläre DNA auf der je nach Art ca. 5-62 Gene codiert sein können.

Phylogenetische Taxonomie

Aus dem Vergleich der Basensequenz der 16S-rRNA rekonstruierter Bakterienstammbaum.

Eine phylogenetische Klassifikation anhand morphologischer und stoffwechselphysiologischer Merkmale ist bei den Bakterien in der Regel nicht möglich, sie muss auf der Basis der molekularen Struktur dieser Organismen aufgebaut werden. Die Klassifizierung erfolgt hauptsächlich mit Hilfe phylogenetischer Marker. Solche Marker sind zelluläre Makromoleküle, deren Zusammensetzung sich mit abnehmendem Verwandtschaftsgrad verschiedener Organismen immer mehr unterscheidet. Zu den wichtigsten Molekülen dieser Art zählt derzeit die 16S-Untereinheit der ribosomalen RNA. Die Basensequenz dieser RNA soll die tatsächlichen evolutionären Beziehungen unter den Organismen widerspiegeln.

Das derzeit "gültige" phylogenetische System der Bakterien ist das nach Garrity, G. M.; J. A. Bell und T. G. Lilburn: "Taxonomic Outline of the Prokaryotes. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology", Second Edition, Release 5.0, Springer-Verlag, New York, 2004 (DOI: 10.1007/bergeysoutline200405), das gleichzeitig eine Klassifikation der Archaeen vornimmt. Nachstehend wird dieses System, beschränkt auf die Bakterien im eigentlichen Sinne (Domäne Bacteria) bis auf Ordnungsebene wiedergegeben.

Phylum (Stamm)	Klasse	Ordnung
Aquificae	Aquificae	Aquificales
Thermotogae	Thermotogae	Thermotogales
Thermodesulfobacteria	Thermodesulfobacteria	Thermodesulfobacteriales
Deinococcus-Thermus	Deinococci	Deinococcales
		Thermales
Chrysiogenetes	Chrysiogenetes	Chrysiogenales
Chloroflexi	Chloroflexi	Chloroflexales
		Herpetosiphonales
	Anaerolineae	Anaerolineales
Thermomicrobia	Thermomicrobia	Thermomicrobiales
Nitrospira	Nitrospira	Nitrospirales
Deferribacteres	Deferribacteres	Deferribacterales
Cyanobacteria	Cyanobacteria	Subsectionen I - V
Chlorobi	Chlorobia	Chlorobiales

Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Rhodospirillales
		Rickettsiales
		Rhodobacterales
		Sphingomonadales
		Caulobacterales
		Rhizobiales
		Parvularculales
	Betaproteobacteria	Burkholderiales
		Hydrogenophilales
		Methylophilales
		Neisseriales
		Nitrosomonadales
		Rhodocyclales
		Procabacteriales
	Gammaproteobacteria	Chromatiales
		Acidithiobacillales
		Xanthomonadales
		Cardiobacteriales
		Thiotrichales
		Legionellales
		Methylococcales
		Oceanospirillales
		Pseudomonadales
		Alteromonadales
		Vibrionales
		Aeromonadales
		Enterobacteriales
		Pasteurellales
	Deltaproteobacteria	Desulfurellales
		Desulfovibrionales
		Desulfobacterales
		Desulfarcales
		Desulfuromonales
		Syntrophobacterales
		Bdellovibrionales
		Myxococcales (3 Unterordn.)
	Epsilonproteobacteria	Campylobacterales

Firmicutes	Clostridia	Clostridiales
		Thermoanaerobacteriales
		Haloanaerobiales
	Mollicutes	Mycoplasmatales
		Entomoplasmatales
		Acholeplasmatales
		Anaeroplasmatales
		Incertae sedis
	Bacilli	Bacillales
		Lactobacillales
Actinobacteria	Actinobacteria	Acidimicrobiales
		Rubrobacterales
		Coriobacteriales
		Sphaerobacterales
		Actinomycetales (17 Unterordn.)
		Bifidobacterales
Planctomycetes	Planctomycetacia	Planctomycetales
Chlamydiae	Chlamydiae	Chlamydiales
Spirochaetes	Spirochaetes	Spirochaetales
Fibrobacteres	Fibrobacteres	Fibrobacterales
Acidobacteria	Acidobacteria	Acidobacteriales
Bacteroidetes	Bacteroidetes	Bacteroidales
	Flavobacteria	Flavobacteriales
	Sphingobacteria	Sphingobacteriales
Fusobacteria	Fusobacteria	Fusobacteriales
Verrucomicrobia	Verrucomicrobiae	Verrucomicrobiales
Dictyoglomi	Dictyoglomi	Dictyoglomales
Gemmatimonadetes	Gemmatimonadetes	Gemmatimonadales

Einteilung nach praktischen Gesichtspunkten

Aus praktischen Gründen werden Bakterien nach ihrer Form und ihrer Organisation unterteilt. Dabei werden kugelige Bakterien als Kokken, längliche, zylindrische Bakterien als Stäbchen und spiralige, wendelförmige Bakterien als Spirillen bezeichnet. Diese Grundformen können einzeln auftreten oder sich zu typischen Formen zusammenfinden (Haufenkokken = Staphylokokken, Kettenkokken = Streptokokken, Doppelkokken = Diplokokken). Des Weiteren bilden vor allem Stäbchenbakterien häufig, Spirillen immer eine oder mehrere Geißeln, so genannte Flagellen, aus, mit deren Hilfe sie sich fortbewegen können. Anzahl und Anordnung der Geißeln sind Unterscheidungsmerkmale. Einige Bakterien bilden Schleimhüllen, "Kapseln", aus, einige verschiedenartige Sporen. Weiterhin wichtig für die Klassifikation ist die Lebensweise, besonders der Stoffwechseltyp (Aerobier, fakultative Anaerobier, Anaerobier), sowie die Möglichkeit, die Bakterien auf bestimmte Weise zu färben. Die so genannte Gram-Färbung (eingeführt vom dänischen Bakteriologen Gram) lässt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Struktur der Zellwand zu; die so genannten Gram-positiven Bakterien bilden wahrscheinlich sogar eine natürliche Verwandtschaftsgruppe, ein monophyletisches Taxon.

Serologisch unterscheidbare Variationen von Bakterien nennt man Serotypen.

Eine mögliche Einteilung der humanpathogenen Bakterien nach praktischen Gesichtspunkten finden Sie auf der nächsten Seite (gleichzeitig Inhaltsverzeichnis).

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