Bacteriën & Virussen
1. Brock
Hoofdstuk 1: Micro-organismen en Microbiologie
Micro-organismen leven overal! Microbiologen bestuderen bacteriën in extreme omstandigheden
om de limiet van leven in het milieu te ontdekken en om te zoeken naar unieke producten die
voordelen zouden kunnen hebben voor mensen en de planeet Aarde.
Deel I Introductie en hoofdthema’s van de microbiologie
1.1 Waar gaat microbiologie over en waarom is het belangrijk?
Microbiologie gaat over: micro-organismen en hoe die werken (bacteriën), diversiteit en evolutie van
microbiële cellen, waar micro-organismen leven, hoe ze communiceren en samenwerken, wat ze hier
op Aarde doen.
1. Het begrijpen van natuur en het functioneren van de microbiële wereld
2. Het toepassen van onze kennis van de microbiële wereld om er voordeel uit te halen voor
mensen en planeet Aarde.
Micro-organismen hebben effect op ons leven, elke dag, elke seconde op soms voordelige en soms
onvoordelige wijze. Geen andere levensvorm op Aarde is zo belangrijk als micro-organismen.
Quiz
- Als microbieel leven zich niet had ontwikkeld, zou je hier dan zijn vandaag de dag? Geef één
goede reden waarom wel of niet?
- Waarom zijn microbiële cellen nuttige hulpmiddelen voor basis wetenschap? Waarom zijn micro-
organismen belangrijk voor mensen?
1.2 Structuur en activiteiten microbiële cellen
Microbiële cellen zijn levende compartimenten die interactie hebben met hun omgeving en met
andere cellen op dynamische manieren.
Alle cellen hebben: cytoplasmatisch membraan, cytoplasma (mix van macromoleculen en
ribosomen), celwanden (behalve dieren en sommige uitzonderingen).
Prokaryoten: Bacteriën & Archaea
Simpele cellen
Eukaryoten: Algae, Protozoa (en andere protisten) & Schimmels
Membraan omsloten compartimenten, organellen
Het levensproces van een cel wordt gecontroleerd door zijn genoom.
Eukaryoten: DNA als lineaire moleculen in de membraan omsloten kern
Bacteriën & Archaea: Gesloten circulair chromosoom, voegt samen tot nucleotide.
Plasmiden zijn smalle cirkels DNA niet verwant aan het chromosoom, voorkomend bij prokaryoten.
Plasmiden voeren meestal bijzondere taken uit, die niet bij de “eerste levensbehoeften” horen.
Eukaryoten hebben vaak een veel groter genoom dan prokaryoten.
Microbiële cellen leven meestal in microbiële gemeenschappen.
Eigenschappen van alle cellen:
- Metabolisme: genetisch (replicatie, transcriptie en translatie) & katalytisch (energie, biosynthese)
- Groei
- Evolutie: kan heel snel zijn wanneer de selectieve druk hoog is
Eigenschappen van sommige cellen:
,- Differentiatie
- Communicatie
- Genetische uitwisseling
- Bewegelijkheid
Quiz:
- Welke belangrijke functies hebben de volgende onderdelen in een cel: cytoplasmatisch
membraan, ribosomen en de celwand?
- Welk type cellen heeft een kern? Een nucleotide? Wat is een cel zijn genoom en waarom is het
belangrijk?
- Wat betekenen de termen “groei” en “bewegelijkheid” in de microbiologie?
1.3 Evolutie en diversiteit van microbiële cellen
Micro-organismen waren de eerste entiteit op Aarde die de kenmerken vertoonden die we
associëren met het leven. Er wordt gedacht dat alle cellen afstammen van een gemeenschappelijke
voorouder cel (LUCA). Groei zorgde voor cel populaties en die begonnen te interacteren met andere
cel populaties. Evolutie en genetische uitwisseling zorgde voor verbeteringen en succes in overleving.
Aarde is 4.6 biljoen jaar oud en bewijs geeft aan dat microbiële cellen verschenen tussen 3.8 en 3.9
biljoen jaar geleden. Tijdens de eerste 2 biljoen jaar was zuurstof afwezig. 80% van de historie van de
Aarde was exclusief microbieel, daarom kan de Aarde gezien worden als een microbiële planeet.
Bacteriën, archaea en eukarya worden onderscheiden als domeinen.
Om een microbiële stamboom te kunnen maken moest er eerst gewacht worden op tools. Elke cel
bevat een record van zijn evolutionaire historie in zijn genen. Genen die ribosomale RNA’s coderen
zijn uitstekende barometers voor microbiële diversiteit.
1. DNA onttrokken uit cellen
2. Kopieën van de genen die coderen voor rRNA worden gemaakt door de polymerase ketting
reactie (PCR)
3. En 4. Het gen wordt gecodeerd (sequence) en de code wordt uitgelijnd met codes van
andere organismen. Een computer algoritme maakt paarsgewijze vergelijkingen van elke
base en genereert een fylogenetische stamboom.
5. Die fylogenetische stamboom beeldt evolutionaire relaties af.
- Bacteriën en Archaea zijn fylogenetisch gezien niet verwant ondanks dat ze vele structurele
kenmerken delen.
- Archaea zijn dichter verwant aan Eukarya dan aan bacteriën.
De meeste micro-organismen die leven op Aarde moeten nog in de laboratorium cultuur gebracht
worden.
Quiz
- Hoe oud is de Aarde en wanneer verschenen de eerste cellen op Aarde?
- Waarom waren cyanobacteriën zo belangrijk in de evolutie van het leven op Aarde?
- Hoe kan de fylogenetische historie van micro-organismen worden gedetermineerd?
- Noem de drie domeinen van het leven.
,1.4 Micro-organismen en hun milieu
De verschijning, hoeveelheid en diversiteit van microbiële gemeenschappen hangt sterk af van het
voedsel dat beschikbaar is en de condities die aanwezig zijn. Microbiële populaties kunnen
interacties hebben met elkaar die negatief, voordelig of neutraal zijn. De metabolische activiteiten
van micro-organismen kan over tijd het ecosysteem geleidelijk veranderen, zowel chemisch als
fysiek. In het menselijk lichaam alleen zijn onze lichaamscellen in 10x mindervoud van microbiële
cellen. Extreme omstandigheden worden door extremofielen beleefd.
- Hoge temp. Hyper thermofiel
- Koude temp. Psychrofiel
- Lage pH Acidofiel
- Hoge pH Alkalifiel
- Druk Barofiel
- Zout Halofyt
Deze extremofielen tolereren dit milieu niet alleen, maar hebben het ook nodig om te leven.
Microbiële cellen hebben een groot aandeel van de biomassa op Aarde en zijn sleutel-reservoirs van
essentiële nutriënten van het leven.
Quiz:
- Hoe verschilt een microbiële gemeenschap van een microbiële populatie?
- Wat is een habitat? Hoe kunnen micro-organismen de kenmerken veranderen van de habitats
waarin ze leven?
- Wat is een extremofiel?
- Waar leven de meeste micro-organismen in de natuur?
1.5 De impact van micro-organismen op mensen
Micro-organismen als opspoorders van ziekten.
Infectieziekten waren de hoofd-doodsoorzaak in 1900, nu zorgen ze maar voor weinig dodelijke
gevallen. In plaats daarvan zijn hartziekte en kanker nu leidende doodsoorzaken. Controle over
infectieziekten komt door: hogere kennis over ziekteverspreiding, betere hygiëne, actieve vaccinatie
en het gebruik van antimicrobiële middelen zoals antibiotica. In ontwikkelende landen zijn sommige
infectieziekten nog wel een risico. Eigenlijk zijn alle dierlijke ziekten een bedreiging vanwege de kans
dat het overspringt naar de mens. Echter de meeste micro-organismen zijn voordelig voor de mens!
Micro-organismen, agricultuur en menselijke voeding.
De agricultuur profiteert van de nutriënten cirkel door micro-organismen. Zoals peulvruchten die
knobbeltjes vormen in hun wortels waarin bacteriën N2 omzetten in NH3 (stikstoffixatie), planten
gebruiken dit als stikstofbron om te groeien. Dit voorkomt dure stikstof vruchtigingsmethoden.
Ook bijv. de micro-organismen die de pens van o.a. koeien en schapen bewonen zijn van groot
belang. Cellulose wordt in de pens verteerd, zonder micro-organismen zouden ze hier niet van
kunnen leven. Bij mensen bevat de dikke darm de meeste micro-organismen, echter te weinig die
cellulose kunnen verteren.
Er zijn ook nadelen: microbiële ziekten van planten en dieren gebruikt voor menselijk voedsel
veroorzaken groot economisch verlies elk jaar. Soms veroorzaakt gecontamineerd voedsel ziekte van
de mens.
Micro-organismen en voedsel, energie en het milieu.
Micro-organismen spelen een belangrijke rol in de voedselindustrie. Bederf wordt tegengegaan,
want leidt tot economisch verlies. Voedselveiligheid vereist constante monitoring. Niet alle micro-
organismen op voedsel zijn slecht. Degene op gefermenteerde producten zijn zelfs gewenst of
essentieel (kaas, yoghurt, augurk etc.).
, Sommige micro-organismen produceren biobrandstoffen. Ethyl alcohol (ethanol) wordt
geproduceerd door de microbiële fermentatie van glucose verkregen uit suikermaïs, maïs of
snelgroeiende grassen.
Micro-organismen kunnen ook gebruikt worden voor het opschonen van pollutie in een proces
genaamd bioremediatie. Vaak om giftige stoffen op te ruimen, zoals gemorste olie en pesticiden.
Micro-organismen worden in de industriële microbiologie ingezet door degene die natuurlijk
voorkomen op massale schaal te kweken om producten te maken van relatief lage waarden, bijv.
antibiotica. Biotechnologie gebruikt genetisch aangepaste micro-organismen op producten te
synthetiseren van hoge waarde, zoals insuline, op meestal kleine schaal. “De rol van het oneindig
kleine in de natuur is oneindig groot (Pasteur, z.j.).
Quiz:
- Noem twee manieren waarop micro-organismen belangrijk zijn in de voedsel- en agricultuur
industrie.
- Geef enkele voorbeelden van biobrandstoffen. Hoe kan stikstoffixatie in wortelknobbeltjes
helpen in de biobrandstof productie?
- Wat is biotechnologie en hoe kan het de levens van mensen verbeteren?
Deel II Microbiologie in historische context
1.6 De ontdekking van micro-organismen
Robert Hooke illustreerde in zijn boek de fruitende structuren van schimmels, dit was de eerste
beschrijving die bekend is van micro-organismen. De eerste persoon die bacteriën zag was Antoni
van Leeuwenhoek, hij bouwde ook een simpele microscoop. Door ontbrekende tools was er niet veel
progressie, in midden 19e eeuw was microbiologie her-ontwaakt. Ferdinand Cohn bestudeerde
eencellige algen, later bacteriën inclusief de grote sulfur bacterie Beggiatoa. Hij was voornamelijk
geïnteresseerd in hitte resistente bacteriën wat leidde tot zijn ontdekking dat sommige bacteriën
endosporen vormen. Cohn beschreef de levenscirkel van de endospoor-vormende bacterie: Bacillus.
(Vegetatieve cel → endospoor → vegetatieve cel) en toonde aan dat vegetatieve cellen wel dood
gingen door ze te koken, maar endosporen niet. Ook legde die de basis in het voorkomen van
contaminatie en bacteriële classificatie. Robert Koch en Louis Pasteur gingen hierop verder.
1.7 Pasteur en Spontane Generatie
Interesse door twee vragen:
- Vindt spontane generatie plaats?
- Wat is de natuur van infectieziekten?
Pasteur. Moleculen zijn optisch actief als een pure oplossing of kristal het licht breekt in maar één
richting. L-vorm kristallen buigen licht naar links en R-vorm kristallen naar rechts. Een organisme
hoeft niet beide vormen van de kristallen te hebben. Levende organismen kunnen discrimeneren
tussen optische isomeren. Alcohol fermentatie wordt veroorzaakt door levende micro-organismen,
dit deed Pasteur meer experimenten doen.
Spontane generatie
Als materie voor langere tijd blijft staan vindt verrotting plaats, deze materie zit vol met micro-
organismen. De theorie dat deze micro-organismen spontaan zijn ontstaan vanuit niet-levende
materialen heet: spontane generatie. Pasteur was een felle tegenstander van deze theorie. Hij
voorspelde dat micro-organismen op bederfbare materialen afstammelingen waren van cellen in de
lucht of cellen die al op het materiaal aanwezig waren. Hij redeneerde verder: als hij alle levende
organismen die aanwezig zijn vernietigde (steriel) dan zou het voedsel niet verder verrotten. Dit
toonde hij ook aan door hitte en sealing. Tegenstanders zeiden dat verse lucht nodig was, Pasteur
ontworp de Pasteur fles en toonde hiermee het tegendeel aan. Pasteur ’s werk leidde tot effectieve
sterilisatie en pasteurisatie technieken.
