Biologie Bakterien

Bakterien

Organismen aus kernhaltigen Zellen heißen Eukaryonten, solche aus kernlosen Zellen Prokaryonten. Bakterienzellen haben keinen abgegrenzten Zellkern; ihm entspricht ein Ring aus Nukleinsäuren, der sich vor der Zellteilung verdoppelt. Außerhalb der Plasmamembran liegt eine feste Zellwand, die es nur bei Bakterien und Blaualgen gibt. Geschlechtliche Vorgänge fehlen. Die ungeschlechtliche Vermehrung erfolgt durch Teilung, die Zelle schnürt sich durch. Dieser Vorgang erfolgt zirka alle 20 Minuten.

Lebensweise

Eine kleine Zelle kann aus Zucker als Energiequelle und aus Salzen alle Zellbestandteile aufbauen, die existieren; zusätzlich auch noch verschiedene Eiweißstoffe, Kohlenhydrate, Fette und Vitamine. Manche Bakterien benötigen Sauerstoff zum Leben (aerob), andere keinen (anaerob).

Die Mehrzahl lebt heterotroph (nicht selbständig). Sie ernähren sich auf verschiedene Weise:

Als Saprophyten zerlegen sie die organischen Stoffe von abgestorbenen Tieren und Pflanzen. Sie verursachen so Fäulnis (Zersetzung von Eiweißstoffen unter Luftabschluß ® NH₃, H₂S), Verwesung (Zersetzung unter Sauerstoffverbrauch ® CO₂) und Gärung (Energiegewinn durch Spaltung energiereicher Stoffe).

Als Parasiten sind sie vor allem Krankheitserreger (Typhus, Cholera, Diphtherie, Tuberkulose), indem sie Gewebe zerstören und lebenswichtige Organe mit ihren Stoffwechselprodukten vergiften.

Als Symbionten leben manche Bakterien im Darm von Pflanzenfressern und zerlegen dort die Zellulose. Bestimmte Bakterien können Luftstickstoff aufnehmen (Knöllchenbakterien) ® Dünger, Pflanzen gedeihen auf stickstoffarmen Böden;

Die autotrophen Bakterien ernähren sich auf zwei verschiedene Weisen:

Durch Photosynthese können sie mit Hilfe des 'Bakterienchlorophylls' assimilieren. Dieser uralte Typ der Photosynthese funktioniert nur unter anaeroben Bedingungen.

Bei der Chemosynthese oxidieren bestimmte Bakterien anorganische Verbindungen und gewinnen so Energie. Die Chemosynthese gilt als ursprüngliche Art des autotrophen Lebens.

Bedeutung

Ohne Bakterien hätte sich das Leben auf der Erde nicht erhalten können, da sie durch die Zersetzung der Leichen Platz für neues Leben schaffen. Für den Menschen werden sie einerseits als Krankheitserreger gefürchtet, andererseits dienen sie zur Erzeugung von Essig, Käse und saurem Gemüse und zur Herstellung von Heilmitteln (Antibiotika, Vitamine, Hormone), die auf chemischem Wege nicht herstellbar wären.

1860 wies Louis Pasteur nach, daß Bakterien nicht von selbst entstehen und auch die Ursache von Fäulnis und Gärungsvorgängen sind. Robert Koch bewies 1876 die krankheitserregende Wirkung der Bakterien. Er züchtete sie in Reinkulturen und entwickelte das 'Tuberkulin' zur Behandlung und zum Nachweis der Tuberkulose. Emil von Behring erforschte die in einem erkrankten Körper gebildeten Antikörper; er gilt als Entdecker des 'Heilserums'. Sir Alexander Fleming fand heraus, daß Pilze Stoffe (Antibiotika) bilden, die Bakterien abtöten oder zumindest in ihrer Entwicklung hemmen. Aus Pinselschimmel gelang es ihm 1928, das erste Antibiotikum, Penicillin, herzustellen, das die Bekämpfung und Heilung fast aller Infektionen ermöglichte.

Ein Antibiotikum wirkt aber immer nur auf eine bestimmte Bakteriengruppe, deshalb werden derzeit aus verschiedenen Schimmel- und Strahlenpilzen Antibiotika industriell gewonnen. Leider werden Bakterien gegen bestimmte Antibiotika resistent; um das zu verhindern dürfen sie nur bei schweren Fällen verabreicht werden.

Bakterien können durch Schutzimpfungen bekämpft werden: Wenn der Impfstoff in den Körper gelangt, bilden sich schon Antikörper, die im Falle einer Infektion sofort reagieren (® aktive Immunisierung). Ist die Krankheit bereits ausgebrochen, werden fertige Antikörper zugeführt, die in tierischen Organismen (Pferd, Rind) gebildet wurden (® passive Immunisierung).

Allgemein bekämpft man Bakterien, indem man sie abtötet oder in ihrer Entwicklung hemmt. Abtöten, keimfrei machen oder sterilisieren kann man durch Ausglühen, Auskochen, mit Desinfektions- und Konservierungsmittel. Pasteurisiert wird durch mehrmaliges Erhitzen auf 60°C und Abkühlen auf 10°C. Ungünstige Lebensbedingungen für Bakterien schafft man durch niedere Temperaturen (Kühlschrank), Räuchern, Einsalzen und Einlegen in Essig oder einer Zuckerlösung.

Bio- und Gentechnologie

Unter Biotechnologie versteht man die Nutzung der Fähigkeiten und Eigenschaften lebender Zellen oder deren Bestandteile für praktische Anwendungen. Ihre Werkzeuge sind Bakterien und Pilze, weil:

1. günstiges Verhältnis Oberfläche : Volumen ® rasche Nahrungsaufnahme ® schnelles Wachstum und hohe Stoffwechsel- und Biosyntheseleistungen
2. Fähigkeit der Einzelzelle zu einer Vielfalt von Reaktionen und Produkten
3. enorme Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Umwelten und Nahrungen
4. einfache Manipulierbarkeit ihrer DNA

Die Gentechnologie befaßt sich mit der gezielten Veränderung des Erbmaterials. 1970 ® Entdeckung der Restriktionsenzyme in Bakterien, die die DNA teilen können. 1972 ® Ligasen verbinden sie wieder, auch von verschiedenen Organismen. 1973 ® Rekombinierte DNA-Stücke werden im Labor biologisch aktiv. Diese können in Zellen lebender Organismen eingesetzt werden mit Vektoren (Plasmide, Viren, direkter Gentransfer).

Schema: DNA aufgeschnitten, gewünschtes Gen wird isoliert und geklont. Das neue genetische Material wird in einen geeigneten Vektor eingebaut, dieser eingeschleust. Die Zelle mit den neuen Eigenschaften wird vermehrt, dann kommen sie in einen Fermenter mit Nährlösung. Nun kann das gewünschte Protein herausgefiltert werden (z.B.: Humaninsulin).

Anwendungsmöglichkeiten

Nahrungsmittel: Lebensmittel-, Backwarenzusätze, Getränke, Aminosäuren, Vitamine, Gemüsekonservierung, modifizierte Eiweißverbindungen, Stärkeprodukte.

Umwelt: Züchtung von Bakterien, die Umweltgifte abbauen und nach dem Abbau selbst eingehen ® Abwasserreinigung, Beseitigung von Abfall und Öl.

Landwirtschaft: Hitze- und schädlingsresistente Pflanzen, Spezialzüchtungen auf dem Tiersektor (viel Fleisch - wenig Fett). Auch Viehfutterzusätze, Silierung, Kompostierung, Pflanzenwuchsstoffe.

Medizin: Bald is die vollständige Genkarte vorhanden (ca. 100.000 Gene). Bis jetzt schon zahlreiche Krebsgene gefunden.

Pharmazie: Seit 1982 kann Humaninsulin technisch hergestellt werden, auch Somatotropin (Wachstumshormon). Auch Impfstoffe, Vitamine, Steroide. Hormone gegen Knochenschwund, Bluterkrankheit, Schnu-pfen und Herpes sollen entwickelt werden.

Zukunftsziele

Pflanzen, die atmosphärischen Stickstoff binden können, Bildung von Aminosäuren in den Speicherproteinen der Pflanze, Erhöhung der Assimilationsleistung, Bildung von Insektentötenden Giften in der Pflanze

Viele sehen in der Schöpfung neuer Lebensformen einen nicht gerechtfertigten Eingriff in die natürliche Evolution. Sie sind auch dagegen, weil man die Folgen einer Genmanipulation nicht kennt, und die Überwachung veränderter Mikroben wegen ihrer enormen Vermehrung und Verbreitung unmöglich ist. Mikrokosmen (z.B. Treibhäuser) lehnen die Forscher ab, da sie die Möglichkeiten der natürlichen Biosphäre nie ersetzen können.