Bakterien

Kenne Dich selbst - aus wie vielen und welchen Körperzellen und Mikroben besteht unser Organismus?

Do, 22.12.2016 - 05:22 — Redaktion

RedaktionIcon BiologieMikroorganismen sind überall -um uns herum und natürlich auch auf und in unserem Körper. In den letzten Jahren ist das Interesse an diesen Mitbewohnern und deren Einfluss auf unseren Metabolismus und unsere Gesundheit enorm gestiegen. Bis vor kurzem ging man davon aus, dass im Organismus zehnmal, ja sogar hundertmal mehr Mikroorganismen als Humanzellen vorliegen- einer kaum hinterfragten Schätzung aus den 1970er Jahren. Der Biologe Ron Milo (Begründer der "BioNumbers database" und Professor am Weizman-Institut, Rehovot) und sein Team haben nun eine kritische Analyse und Quantifizierung der unterschiedlichen Zelltypen ausgeführt: demnach enthält unser Körper etwa 30 Billionen menschliche Zellen, wobei rund 90 % davon hämatopoietische (blutbildende) Zellen sind, die Zahl der Bakterien liegt bei circa 39 Billionen, etwa gleichauf mit der Zahl der Humanzellen. Der folgende Artikel ist eine stark gekürzte, aus dem Englischen übersetzte Version der vor Kurzem in PLoSBiol (open access, cc-by) veröffentlichten Untersuchung von R. Sender, S. Fuchs und R. Milo [1].

Biofilme - Zur Architektur bakterieller Gemeinschaften

Fr, 10.06.2016 - 10:45 — Knut Drescher

Knut DrescherIcon BiologieViele bakterielle Spezies besiedeln Oberflächen und bilden dicht gepackte Gemeinschaften, die als Biofilme bezeichnet werden. Solche Biofilme sind resistent gegen Antibiotika und machen einen Großteil der globalen bakteriellen Biomasse aus. Der Biophysiker Knut Drescher (Univ. Prof. und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg) untersucht den Entstehungsprozess von Biofilmen, über den bisher nur wenig bekannt ist. Dieser Prozess beginnt mit der Oberflächenhaftung einer einzigen Zelle und führt nach vielen Zellteilungen zur Bildung von turmförmigen Strukturen. Wie kürzlich entdeckt wurde, ändert sich dabei die Biofilmarchitektur in einigen kritischen Phasen dramatisch.

Mikrobiome extremer Tiefsee-Lebensräume

Fr, 13.05.2016 - 13:00 — Antje Boetius

Antje BoetiusIcon GeowissenschaftenDie Tiefsee birgt eine astronomisch hohe Zahl von Mikroorganismen mit einer bisher kaum erschlossenen genetischen Vielfalt. Sie zu kennen ist wichtig für das Verständnis des Erdsystems und seiner Stoffkreisläufe. Di e prominente Meeresbiologin Antje Boetius (Prof. für Geomikrobiologie, Univ. Bremen und Leitung der HGF-MPG Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie) untersucht das Mikrobiom extremer Lebensräume der Tiefsee mit dem Ziel Antworten auf Fragen zur Entstehung und zu den Grenzen des Lebens sowie zu Anpassungsmöglichkeiten an eine dynamische Umwelt zu erhalten.*

Von Bakterien zum Menschen: Die Rekonstruktion der frühen Evolution mit fossilen Biomarkern

Fr, 20.11.2015 - 11:23 — Christian Hallmann

Christian HallmannIcon BiologieDas Leben auf der Erde ist erstaunlich alt. Nach ihrer Entstehung vor ca. 4,5 Milliarden Jahren war die Erde ein äußerst lebensfeindlicher Ort – ohne verfestigte Kruste, ohne Wasser und mit häufigen Meteoriteneinschlägen. Sobald die Umweltbedingungen sich erstmalig stabilisierten und flüssiges Wasser vorkam, sollte es nicht lange dauern, bis erstes Leben in Form primitiver einzelliger Bakterien erschien. Christian Olivier Eduard Hallmann, Leiter der Forschungsgruppe Organische Paläobiogeochemie (MPI Biogeochemie, Jena) erforscht, wie sich das Leben auf der Erde zwischen seinem ersten Aufkommen und den heutigen komplexen Ökosystemen entwickelt hat.*

Die ältesten Spuren des Lebens

Erste Zwischenstufe in der Evolution von einfachsten zu höheren Lebewesen entdeckt: Lokiarchaea

Fr, 19.06.2015 - 12:08 — Christa Schleper

Christa SchleperIcon Biologie“Under the Sea, a Missing Link in the Evolution of Complex Cells” hat die New York Times am 6. Mai 2015 einen Artikel übertitelt, der über eine Entdeckung berichtete, die weltweites Aufsehen erregte: Ein internationales Team um die Wiener Mikrobiologin Christa Schleper (Leiterin der Archaea Biologie und Ökogenomik Division des Dept. für Ökogenomik und Systembiologie, Universität Wien) und aus Forschern in Uppsala und Bergen hat am Meeresboden des Nordatlantik eine neue Gruppe von Mikroben entdeckt. Mit diesen, als Lokiarchaea bezeichneten, Organismen wurde erstmals eine Zwischenstufe in der Evolution von Prokaryoten zu den komplexen Zellen (Eukaryoten) aufgefunden, aus denen alle höheren Lebewesen bestehen*.

Von der Natur abgeschaut – das Austrian Center of Industrial Biotechnology (acib)

Fr, 12.06.2015 - 07:00 — Thomas Stanzer

Thomas StanzerIcon MINTWie macht man industrielle Verfahren umweltfreundlicher und gleichzeitig wirtschaftlicher? Rund 200 Beschäftigte mit bis zu 30 Jahren Erfahrung in industrieller Biotechnologie forschen dazu am Austrian Center of Industrial Biotechnology (acib)*an mehr als 50 Projekten. Der Biochemiker Thomas Stanzer – zuständig für die Unternehmenskommunikation am acib - zeigt an Hand repräsentativer Beispiele, wie Methoden der Natur als Vorbild genutzt und daraus Technologien entwickelt werden, die unser aller Leben lebenswerter machen können.

Tuberkulose und Lepra – Familienchronik zweier Mörder

Fr, 08.05.2015 - 06:59 — Gottfried Schatz

Gottfried SchatzIcon MedizinLepra und Tuberkulose gehören zu den ältesten menschlichen Infektionskrankheiten. Deren Erreger sind miteinander verwandte, langsam wachsende, stäbchenförmige Bakterien aus der Familie der Mycobakterien. Der renommierte Biochemiker Gottfried Schatz erzählt vom Kampf gegen diese Bakterien, der - erst im vergangenen Jahrhundert aufgenommen - zur enormen Reduzierung aber noch nicht zur Ausrottung der Krankheiten führte.

S-Schichten: einfachste Biomembranen für die einfachsten Organismen

Fr, 16.01.2015 - 09:11 — Uwe Sleytr, Inge Schuster

Uwe SleytrIcon BiologieS-Schichten, eine äußere Umhüllung von prokaryotischen Zellen (Archaea und Bakterien), sind jeweils aus einer einzigen Art eines Proteins aufgebaut. Diese, zur Selbstorganisation fähigen, Proteine erzeugen hochgeordnete, kristalline Gitter. Mit derartigen (funktionalisierten) Proteinen lassen sich unterschiedlichste Oberflächen beschichten und damit effiziente Lösungen (nicht nur) für (nano)biotechnologische Anwendungen finden. Der Mikrobiologe Uwe Sleytr - ein Pionier auf diesem Gebiet – liefert seit mehr als 40 Jahren fundamentale Beiträge zu Struktur, Aufbau, Funktion und Anwendung von S-Schichten [1].

Der Kampf gegen Darm- und Durchfallerkrankungen

Bill and Melinda Gates FoundationIcon MedizinDurch Infektionen hervorgerufene Darm- und Durchfallerkrankungen sind vermeidbar und behandelbar. In Entwicklungsländern gehören sie zu den Hauptursachen der Kindersterblichkeit und können zudem zu Mangelernährung und in Folge zu Wachstumsstörungen, Beeinträchtigungen der geistigen Entwicklung und damit zu lebenslangen gesundheitlichen Problemen führen. Die Bill & Melinda Gates Foundation verwendet eine Kombination von Ansätzen, um Kinder gegen Infektionen zu schützen und die hohe Zahl von Sterbefällen zu verringern. Der folgende Artikel wurde mit freundlicher Zustimmung der Gates Foundation der Website der Stiftung* entnommen. Er ist Bestandteil des Themenschwerpunkts "Mikroorganismen und Infektionskrankheiten"

Jenseits der Gene — Wie uns der Informationsreichtum der Erbsubstanz Freiheit schenkt

Icon BiologieGottfried SchatzIm Vergleich zum (zweit)kleinsten Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalium, das diesem gerade das Überleben ermöglicht, enthält das Genom des Menschen nur fünfzigmal mehr Gene. Wie daraus dennoch eine ungeheure Vielzahl und Vielfalt an Proteinen entstehen, die aus der Struktur unseres Genoms nicht eindeutig ablesbar sind und jeden von uns zum unverwechselbaren molekularen Individuum machen, schildert der prominente Biochemiker Gottfried Schatz.

Mikroorganismen

Icon BiologieMit einzelligen Mikroorganismen hat vor mehr als 3 Milliarden Jahren das Leben auf unserem Planeten begonnen. Die winzigen Organismen haben den Evolutionsprozess in Gang gesetzt und eine Atmosphäre aufgebaut, welche viel später – vor rund 650 Millionen Jahren - die Entstehung von Vielzeller-Organismen erlaubte.

Als individuelle Zellen sind Mikroorganismen mit dem freien Auge nicht erkennbar. Um sie sichtbar zu machen, bedurfte es erst eines Mikroskops mit sehr hoher Auflösung, welches erstmals der Holländer Antonie Van Leeuwenhoek (1632–1723) designte. Mit diesem sehr kleinen Instrument beobachtete in wässrigem Milieu „eine große Vielzahl unterschiedlicher Animalcula“ - Bakterien, Protozoen und Pilze (Hefen) -, die sich bewegten (Abbildung 1) .

Das mikrobielle Leben der Tiefsee

Icon BiologieDer tiefe, dunkle Ozean - das größte und am wenigsten erforschte Ökosystem der Erde - bietet Lebensraum für eine enorme Vielfalt an Mikroorganismen. Zu deren Stoffwechsel liefert der Autor essentielle Beiträge mit dem Ziel die biogeochemikalischen Kreisläufe im Meer (mikrobielle Ozeanographie) zu erforschen und damit zu einem generell besseren Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs und damit des Ökosystems Erde beizutragen.

Gerhard HerndlDer tiefe dunkle Ozean nimmt mehr als 70% des Gesamtvolumens der Meere ein. Er ist der größte und zugleich unerforschteste Lebensraum unserer Erde, eine Zone ohne Licht, welches dort lebenden Organismen mittels Photosynthese ein autotrophes Leben ermöglichen könnte. Bereits ab 200 m Tiefe – der mesopelagialen- oder „Zwielicht“ Zone - dient schwach durchschimmerndes Licht nur noch der Orientierung von Lebewesen; ab 1000 m herrscht totale Finsternis. Die hier lebenden Organismen müssen sich auch dem zunehmenden Druck der Wassersäule – 1bar je 10 m; bei 5000 m sind es bereits 500 bar – anpassen, den niedrigen Temperaturen von etwa 2 °C und dem verringerten Nährstoffangebot.

Schöpfer Zufall — Wie chemische Zufallsprozesse dem Leben Vielfalt schenken

Icon BiologieZufälle und Fehler beim Kopieren des Erbguts schaffen biologische Varianten, aus denen im Lauf der Evolution immer komplexeres Leben entsteht. Zufällige, nicht vorhersagbare chemische Reaktionen einiger Moleküle können die Erscheinung und das Verhalten eines Lebewesens beeinflussen. Zufälle und Fehler sind Quellen des Neuen, ohne sie wären wir alle noch Bakterien.

Gottfried SchatzUnser Biologielehrer war ein romantischer Naturfreund, für den die lebendige Natur vollkommen war. Sein Credo lautete: «Das Leben ist immer im Gleichgewicht.» Wenn ich heute an ihn denke, erinnert er mich an den deutschen Archäologen und Kunsthistoriker Johann Joachim Winckelmann (1717–1768), für den Kunst und Philosophie der alten Griechen von «edler Einfalt und stiller Grösse» waren. Als dann aber im Jahre 1872 Friedrich Nietzsche das dionysisch Dunkle in der griechischen Kultur aufzeigte, hatten Charles Darwin und Alfred Wallace auch das Leben bereits seiner Idylle beraubt und als ein gnadenloses Schlachtfeld entlarvt.

Das Leben ist mit seinem Umfeld nie im Gleichgewicht. Es ist so erfolgreich, weil es nie vollkommen ist. Versucht eine Lebensform sich an ihr Umfeld anzupassen, verändert sie es – und muss sich erneut anpassen. Dieses nie endende Streben nach Anpassung zeugt die biologischen Varianten, aus denen die Evolution immer komplexeres Leben schafft. Die Schnelligkeit, mit der ihr dies gelingt, war lange ein Rätsel. Wie entstehen die Varianten, mit denen die Evolution spielt?

Können wir Natur und Evolution übertreffen? Teil 1: Gedanken zur Synthetischen Biologie

Themenschwerpunkt Synthetische Biologie


ÖAWKönnen wir mit der Synthetischen Biologie etwas Besseres bewirken, als das, was Natur und Evolution im Laufe der Jahrmilliarden hervorgebracht haben? Hier erheben sich sofort Fragen wie: „Besser für wen?“, „Besser wofür? oder „Wie kommen Optimierungen überhaupt zustande?“ Der Artikel basiert auf einem Vortrag des Autors anläßlich des Symposiums über Synthetische Biologie, das von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Mai d.J. veranstaltet wurde; er erscheint auf Grund seiner Länge in zwei aufeinander folgenden Teilen.

Peter SchusterVor weniger als einem Jahr veranstaltete das Jena Life Science Forum eine Tagung unter dem Titel „Designing living matter – Can we do better than evolution?“. Nachdem wir uns nach längerer Diskussion auf diesen Namen geeinigt hatten, waren wir fürs erste zufrieden, aber dann doch über die eigene Frechheit erschrocken: Glaubten wir denn wirklich, dass wir Menschen die Evolution übertreffen können? Nach kurzem Nachdenken trat wieder Beruhigung ein. Solange man nicht präzise sagt, was „better“ oder „übertreffen“ bedeuten soll, ist alles offen. Fast immer kann man die Natur übertreffen, wenn man sich ein einziges Merkmal herausgreift und dann dieses durch menschlichen Eingriff nach Belieben verändert.

Der vorliegende erste Teil dieses Essays schneidet Probleme der Bewertung nach mehreren Kriterien an und geht auf die Frage ein, inwieweit Optimalität in der Natur vorherrscht.

Optimalität und Pareto-Gleichgewicht

Optimalität im täglichen Leben ist leicht definiert: Wir möchten ein genau definiertes Produkt kaufen, sehen bei „Geizhals“ oder einem anderen Kaufinformationsprovider online nach, wo das Produkt am billigsten ist, gehen dort einkaufen und haben unseren Einkauf optimiert. Leider ist eine solche eindeutige Sachlage die Ausnahme! Normalerweise haben wir mehrere Kriterien zu beachten, und dann wird der Vergleich schwierig.

Nehmen wir wieder ein alltägliches Beispiel: Jemand möchte ein ökonomisch günstiges Auto kaufen – d.i. niedriger Anschaffungspreis, geringer Benzinverbrauch und Unterhaltskosten –, das gleichzeitig mit möglichst hoher Spitzengeschwindigkeit fahren können soll. Diese beiden Wunschvorstellungen sind nicht miteinander vereinbar und anstelle eines Optimums gibt es eine ganze Reihe von günstigsten Kompromissen, die nach dem Italiener Vilfredo Frederico Pareto als Pareto-Gleichgewicht oder Pareto-Front bezeichnet wird: Eine besseres Ergebnis für das eine Kriterium lässt sich nur durch eine Verschlechterung beim zweiten Kriterium erzielen. In unserem Beispiel: ein rascheres Auto kostet mehr Geld. Die Pareto-Front trennt die ineffizienten und daher verbesserbaren Lösungen von den unmöglichen, die nicht realisiert werden können (Abbildung 1).

Eisendämmerung — Wie unsere Werkstoffe komplexer und intelligenter werden

Themenschwerpunkt: Synthetische Biologie — Leitwissenschaft des 21. Jahrhunderts?


Icon MINTDie Verwendung von in der Natur vorkommenden Materialien wird abgelöst durch den Einsatz von Werkstoffen, welche biologische Strukturen und Funktionen nachahmen und optimieren. Insbesondere verspricht der Nachbau lebender Zellen ein ungeheures Potential an Anwendungsmöglichkeiten. Im Laboratorium massgeschneiderte Lebewesen könnten viel effizienter als natürliche das Sonnenlicht einfangen, Äcker biologisch düngen, Umweltgifte zerstören oder Erze an unzugänglichen Orten schürfen.

Gottfried SchatzZwei wissenschaftliche Revolutionen haben mein Leben geprägt: molekulare Biologie und digitale Elektronik. Jetzt erlebe ich eine dritte: die Revolution der intelligenten Werkstoffe. Seit Jahrtausenden waren unsere Werkstoffe die vorgegebenen Produkte der Natur. Heute ersinnen wir sie im Laboratorium, fertigen sie aus chemisch reinen Ausgangsstoffen und versehen sie mit Information zur Erfüllung bestimmter Aufgaben. Diese Revolution macht selbst unsere edelsten Stähle zu altem Eisen. Eisen ist immer noch unser Werkstoff par excellence, wenn auch Aluminium, Magnesium, Titan, Glas und Keramik ihm immer häufiger den Boden streitig machen. Sie alle sind jedoch, ebenso wie Eisen selbst, nur verfeinerte, umgeformte oder miteinander vermischte Naturstoffe. Doch als 1909 der Belgier Leo H. Baekeland aus zwei reinen Chemikalien das vollsynthetische Plastic-Harz Bakelit schuf, begann ein neuer Abschnitt unserer Zivilisation – und das Ende der Eisenzeit.

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