Aufgaben: Eubakterien und Archaeen

Nennen Sie drei strukturelle Unterschiede zwischen einer prokaryotischen Bakterienzelle und einer Eukaryotenzelle und erklären Sie, welche funktionelle Folge jeder dieser Unterschiede hat.

Viele Archaeen sind extremophil (thermophil, halophil, acidophil). Beschreiben Sie, welche Lebensräume sie besiedeln, welche biochemischen Anpassungen ihnen das Leben dort ermöglichen und warum ihre Erforschung für Hypothesen zum Ursprung des Lebens von Interesse ist.

Betrachten Sie die Bakterien in der Abbildung (A bis F). Ordnen Sie sie nach ihrer Form (Kokkus, Bazillus, Spirillum oder Vibrio) und gegebenenfalls nach ihrer Anordnung (Diplokokken, Streptokokken, Staphylokokken) und nennen Sie, wo möglich, ein bekanntes Beispiel.

Erklären Sie, was die bakterielle Zellwand (Peptidoglykan) ist und worin die Gram-Färbung besteht: Welche zwei großen Gruppen unterscheidet sie (grampositive und gramnegative) und warum ist sie so nützlich für die Wahl einer Behandlung?

1. a) Nennen Sie drei äußere Strukturen, die ein Bakterium besitzen kann.
2. b) Erklären Sie die Hauptfunktion jeder dieser Strukturen.

Was ist eine Endospore? Erklären Sie, wie sie entsteht, welche außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit sie besitzt (Hitze, Austrocknung, Desinfektionsmittel) und warum sie die Sterilisation in der Medizin und bei Konserven erschwert (Beispiele: Tetanus, Botulismus).

Unterscheiden Sie ein streng aerobes, ein streng anaerobes und ein fakultativ anaerobes Bakterium und ordnen Sie jeden Typ einem Lebensraum zu (Bodenoberfläche, Grund einer tiefen Wunde, Verdauungstrakt).

Was sind Plasmide? Erklären Sie, welche Art von Genen sie häufig tragen (Antibiotikaresistenzen, Toxine) und warum ihre Fähigkeit, von einem Bakterium auf ein anderes überzugehen, Ärzten Sorge bereitet.

Der Stoffwechsel der Bakterien ist sehr vielfältig. Beschreiben Sie die Typen fotoautotroph, chemoautotroph und heterotroph: Woher bezieht jeder Typ Energie und Kohlenstoff? Nennen Sie für jeden Typ ein Beispiel für ein Bakterium oder einen Lebensraum.

Erklären Sie die wesentliche Rolle der Bakterien in den Stickstoff- und Kohlenstoffkreisläufen (Fixierung, Nitrifikation, Denitrifikation und Zersetzung) und begründen Sie, was in den Ökosystemen geschähe, wenn sie verschwänden.

Nennen Sie zwei molekulare Unterschiede zwischen Eubakterien und Archaeen (zum Beispiel in der Zellwand oder in den Membranlipiden) und erklären Sie, warum sie verschiedenen Domänen zugeordnet werden.

Biofilme sind Bakteriengemeinschaften, die an einer Oberfläche haften und von einer Matrix umhüllt sind. Erklären Sie, wo sie sich bilden (Zahnstein, Katheter, Rohrleitungen, Steine im Fluss), warum sie gegenüber Antibiotika und Desinfektionsmitteln deutlich resistenter sind als frei lebende Bakterien und welche Probleme sie in Krankenhäusern verursachen.

Cyanobakterien wurden jahrhundertelang „Blaualgen“ genannt. Erklären Sie, warum diese Bezeichnung falsch war (prokaryotische Organisation), welche Art von Fotosynthese sie betreiben (oxygen) und welche historische Rolle sie für die Erdatmosphäre spielten.

Im Labor verwendet man selektive und differenzierende Nährmedien. Erklären Sie anhand je eines Beispiels, was jeder Typ ist (MacConkey-Agar selektiert gramnegative Bakterien und unterscheidet Laktosevergärer; Blutagar zeigt die Hämolyse), und welche Informationen sie bei der Identifizierung eines unbekannten Bakteriums liefern.

Methanogene Archaeen produzieren Methan. Erklären Sie, wo sie leben (Pansen von Pflanzenfressern, Grund von Sümpfen und Reisfeldern, Kläranlagen), wovon sie sich ernähren und warum ihr Stoffwechsel zugleich für das Klima (Methan als Treibhausgas) und für die Energieversorgung (Biogas) von Interesse ist.

Die bakterielle Symbiose reicht weit über den menschlichen Darm hinaus. Beschreiben Sie ein konkretes Beispiel – die Leuchtbakterien des Tintenfischs (Vibrio fischeri) oder die Rhizobium-Knöllchen der Hülsenfrüchtler – und erklären Sie, was jeder Partner beisteuert und wie sie sich „erkennen“, um die Partnerschaft einzugehen.

In einem Gewässersediment wird die Schichtung des Redoxpotenzials (E') in Abhängigkeit von der Tiefe untersucht. Die Messungen zeigen, dass in 2 cm Tiefe der gelöste O_2 aufgebraucht ist, in 6 cm Tiefe das NO_3^- vollständig verschwindet und ab 15 cm eine konstante Emission von CH_4 nachweisbar wird.

1. a) Begründen Sie anhand der Redoxpotenzialdifferenz (\\Delta E') und der ATP-Ausbeute bei der oxidativen Phosphorylierung, warum denitrifizierende Bakterien die Schicht unmittelbar unterhalb der der obligaten Aerobier besiedeln und dominieren und dabei die methanogenen Archaeen in tiefere Schichten verdrängen.
2. b) Sagen Sie begründet voraus, was mit der Methanemissionsrate und der aktiven Population der Methanogenen geschieht, wenn man künstlich eine konzentrierte Natriumnitratlösung (NaNO_3) in das tiefe anoxische Sediment einspritzt.

Ein stationär behandelter Patient, der drei Wochen lang Clindamycin (ein Breitbandantibiotikum) erhält, entwickelt durch eine Infektion mit Clostridioides difficile einen schweren Durchfall. Dieses Bakterium war schon vor Behandlungsbeginn in seinem Darm vorhanden, machte aber weniger als 0,1 % der mikrobiellen Gemeinschaft aus und verursachte keine Symptome. Nachdem mehrere Medikamentenlinien versagt haben, erhält er eine Stuhltransplantation (fäkale Mikrobiota-Transplantation, FMT) von einem gesunden Spender, wodurch die Infektion innerhalb von 48 Stunden beseitigt wird.

1. a) Begründen Sie dieses Krankheitsbild unter genauer Verwendung der ökologischen Konzepte ökologische Nische, Konkurrenzausschluss und Kolonisationsresistenz.
2. b) Entwerfen Sie ein einfaches Experiment mit axenischen (keimfreien) Labormäusen, das erkennen lässt, ob der Heilungsfaktor der Stuhltransplantation in der direkten physischen Konkurrenz durch lebensfähige Bakterien oder in hitzestabilen, schützenden Stoffwechselprodukten liegt, die im Filtrat des Spenderstuhls gelöst sind.

In einem warmen Sommer erhält ein Stausee einen phosphorreichen Eintrag, der das Stickstoff-Phosphor-Verhältnis (N:P) des Wassers stark absinken lässt. Wenige Wochen später bildet sich an der Oberfläche eine dichte grünliche Schicht, die von fadenförmigen Cyanobakterien mit Heterocysten dominiert wird, und die Analysen weisen gefährliche Mikrocystin-Konzentrationen nach.

1. a) Begründen Sie, warum stickstofffixierende Cyanobakterien eukaryotische Mikroalgen verdrängen, wenn das N:P-Verhältnis drastisch sinkt. Erklären Sie, welche grundlegende biochemische Unverträglichkeit die Heterocyste löst und über welche strukturellen und metabolischen Anpassungen sie dazu verfügt.
2. b) Paradoxerweise verzeichnen die Techniker des Stausees trotz der oxygenen Fotosynthese der Cyanobakterien ein Massensterben von Fischen durch Sauerstoffmangel in den mittleren Schichten und am Grund. Leiten Sie die ökologischen und biochemischen Ursachen dieses Sauerstoffzusammenbruchs entlang der Wassersäule ab.

Ein Biotechnologieteam sucht aus Proben vulkanischen Bodens bakterielle Enzyme, die PET-Kunststoff bei 70 °C hydrolysieren können. Beim Ausstreichen von Bodenverdünnungen auf Petrischalen mit Nähragar und Bebrüten bei 70 °C erhalten sie nur zwei Bakterienkolonien, die den Kunststoff nicht abbauen. Als sie jedoch die gesamte Umwelt-DNA (Metagenomik) aus nur einem Gramm dieses Bodens extrahieren und sequenzieren, entdecken sie mehr als 300 verschiedene Bakterientaxa, darunter Sequenzen, die zu PETase-Genen homolog sind.

1. a) Begründen Sie zwei ökophysiologische Ursachen, die erklären, warum die große Mehrheit dieser Bodenbakterien auf herkömmlichen Laborplatten keine Kolonien bilden kann („die große Plattenzahl-Anomalie“).
2. b) Entwerfen Sie eine Strategie auf Grundlage funktioneller Metagenomik (Anlegen von Genbanken und Screening in Modellorganismen wie Escherichia coli), mit der sich das PET-abbauende Enzym identifizieren und herstellen lässt, ohne das ursprüngliche thermophile Bakterium im Labor isolieren oder kultivieren zu müssen.

In einer Mine für Metallsulfide werden zwei Bereiche untersucht: eine verdichtete und gegen Luft abgedichtete Pyrit-Halde (FeS_2) und eine identische, aber poröse, feuchte und der Witterung ausgesetzte Halde. Das aus dieser zweiten Halde abfließende Wasser hat einen pH-Wert von 1,7 und eine hohe Konzentration an Eisen(III)-Ionen (Fe^3+) und Sulfat, bedingt durch die Tätigkeit von Acidithiobacillus ferrooxidans.

1. a) Leiten Sie die Rolle von A. ferrooxidans als biogeochemischer Katalysator ab: Erklären Sie, welche chemische Spezies er oxidiert, was der terminale Elektronenakzeptor ist und warum sein Stoffwechsel das Medium so stark ansäuert. Ordnen Sie seinen Stoffwechseltyp nach Kohlenstoff- und Energiequelle ein.
2. b) Ein Bergbauunternehmen nutzt Bioreaktoren mit A. ferrooxidans, um armes Kupferkies-Erz zu laugen (Biolaugung), während die Gewässerbehörde die Mine wegen der sauren Grubenwässer der offenen Halde anzeigt. Begründen Sie chemisch, warum derselbe mikrobielle Prozess in einem Zusammenhang eine saubere und rentable Biotechnologie ist, im anderen aber eine ökotoxikologische Katastrophe für die Fließgewässer-Ökosysteme.

Um die Treibhausgasemissionen von Rindern zu verringern, erhält eine Gruppe Kühe ein Futtermittelzusatz, der das Enzym Methyl-Coenzym-M-Reduktase der methanogenen Archaeen im Pansen blockiert. In den ersten Tagen sinken die CH_4-Emissionen um 80 %, aber es zeigen sich eine ungewöhnliche Anreicherung von freiem H_2-Gas im Pansen und eine verringerte Verdauung der Raufaser (Cellulose).

1. a) Erklären Sie die Syntrophie zwischen cellulolytischen Bakterien und methanogenen Archaeen unter normalen Bedingungen und begründen Sie, warum die Anreicherung von freiem H_2 den mikrobiellen Celluloseabbau thermodynamisch bremst (Produkthemmung bei der Regeneration von NAD^+).
2. b) Die Tierärzte beheben dieses Problem, indem sie den Stärkeanteil im Futter erhöhen, was propionatbildende Bakterien gegenüber acetatbildenden begünstigt. Begründen Sie biochemisch, warum die Propionatsynthese als „alternative Elektronensenke“ wirkt, die die Pansengärung ohne Methanbildung wieder in Gang bringt.

Jahrzehntelang galt das rote, extrem saure Wasser (mittlerer pH-Wert 2,2) des Río Tinto (Huelva) als ausschließliche Folge des historischen Bergbaus. Tiefbohrungen des Projekts MARTE zeigten jedoch, dass die Säure biogenen Ursprungs ist und im anoxischen Untergrund Konsortien lebender chemolithotropher Bakterien leben.

1. a) Wenn das Zellinnere von Leptospirillum ferrooxidans einen pH-Wert nahe der Neutralität (6,5 bis 7,0) halten muss, damit seine Makromoleküle nicht denaturieren, begründen Sie, welche Anpassungen des Membranpotenzials oder der aktiven Transportsysteme durch die Membran es ihm ermöglichen, den massiven passiven Eintritt von Protonen H^+ aus dem Außenmedium zu vermeiden.
2. b) Der Rover der Marsmission entdeckte auf der Marsoberfläche Mineralbildungen aus Jarosit (basisches wasserhaltiges Kalium-Eisen-Sulfat) und Hämatit. Begründen Sie, warum der Río Tinto als terrestrisches Analogon des Mars genutzt wird, und erläutern Sie, was die Astrobiologie über die frühere Hydrosphäre des Mars ableitet und nach welchen unterirdischen Biosignaturen wir suchen sollten.

Ein Schullabor versucht, funktionsfähiges menschliches Insulin in Escherichia coli herzustellen. Dazu amplifizieren die Schülerinnen und Schüler das vollständige Insulin-Gen mithilfe der PCR direkt aus der Zellkern-DNA einer menschlichen Biopsie (einschließlich seiner Introns und Exons), ligieren es hinter einen bakteriellen Promotor in ein Plasmid und transformieren damit Bakterien. Nach Induktion der Transkription produzieren die Bakterien ein fehlerhaftes, funktionsloses und unlösliches Polypeptid.

1. a) Analysieren Sie auf molekularer Ebene die beiden Hürden in der bakteriellen Genexpressionsmaschinerie (eine auf der Ebene der mRNA-Prozessierung, die andere auf der Ebene der posttranslationalen Modifikationen des Proteins), die erklären, warum die Strategie vollständig gescheitert ist.
2. b) Entwerfen Sie die genauen molekularen Veränderungen, die am Ausgangsmaterial (Herkunft der codierenden Sequenz) und in der Strategie des Zusammenbaus vorgenommen werden müssten, damit E. coli identisches, funktionsfähiges menschliches Insulin herstellen kann (bestehend aus den Ketten A und B, die durch Disulfidbrücken verbunden sind).