Microbiologie
1) Inleiding
Wat is microbiologie?
▪ Microbiologie: bestudeert micro-organismen
▪ Micro-organismen:
o Organismen die (meestal) niet met het blote oog kunnen waargenomen worden
o Ééncelligen, soms meercelligen, met een minder complexe organisatie en differentiatie dan platenn en
dieren
o Ook virussen – geen celstructuur
a) Micro-organismen als levende cellen
Cel: fundamentele eenheid van leven
- Een geïsoleerde eenheid: omgeven door een membraan (en soms celwand) met binnen chemische componenten
(eiwitten, polysacchariden; lipiden en nucleïnezuren) en subcellulaire structuren (nucleus, nucleoïde)
- Een open dynamisch systeem: communicatie en uitwisseling materiaal met extern milieu
Levende cel: specifieke eigenschappen:
- Voeding en metabolisme: opnamen nutriënten, uitscheiden afvalproducten
- Communicatie: uitwisseling chemische signalen
- Groei en vermenigvuldiging: vorming van dochtercellen
- Differentiatie: weefsels bij meercelligen, vorming van nieuwe celstructuren tijdens levenscyclus bij ééncelligen
(sporen)
- Evolutie: nieuwe eigenschappen bij nakomelingen
Virussen: waarom geen cellen?
- Geen open dynamisch systeem
- Statische partikels: genetische info (RNA of DNA) verpakt in proteïnemantel (kapside) wat op zijn beurt is
omgeven door een lipidemembraan (envelop)
- Geen eigen metabolische activiteit
- Vermenigvuldiging en vermeerdering genetisch materiaal afhankelijk van gastcel
Gemeenschappelijke eigenschappen met levende cel:
o Kunnen zich vermenigvuldigen
o Mutaties mogelijk
➔ Wat is microbiologie?
o Het is een jonge en snel evoluerende wetenschapstak.
o Naar schatting slechts 2-3% van de micro-organismen gekend
b) Belang van micro-organismen en microbiologie
Micro-organismen:
- Vertegenwoordigen de grootste hoeveelheid biomassa op aarde en de grootste diversiteit van alle levende
organismen
- Essentieel voor afbraak organisch materiaal en recyclage van nutriënten
- Kolonisatie van extreme habitats
Microbiologie:
- Een fundamentele biologische wetenschap: studie van biochemische en fysiologische processen
- Een toegepaste biologische wetenschap: geneeskunde – landbouw – industrie/voeding/energie – biotechnologie
Afmetingen van micro-organismen
▪ Prokaryoten: Lengte: 100 nm (0,1 µm) tot > 600 µm – Diameter: 0,1 µm tot > 0,5 µm
▪ Eukaryoten: 2 tot >200 µm
▪ Virussen 10 nm tot 100 nm
c) Hoe MICRO is micro?
Giant virus (reuzevirus)
- Grootte van een bacterie
1
, - Gebouwd zoals een virus
- Overal te vinden: soil – sea bed – in 30 000 jaar oud permafrost
- Afkomstig van virussen die misschien een soort van cellen zijn geworden? Door meer complexe genen te stelen
van meer complexe gastheren?
- Of zijn het overblijfselen van een oude vorm van cellulair leven dat virusachtig over tijd is geworden door verlies
van functies?
Thiomargarita magnifica
- Één bacteriecel, zo groot dat het zichtbaar is met het blote oog
- Grootste bacterie ooit ontdekt: 2 cm → 5000 keer groter dan de normale bacteriecel
- Ontdekt in het water van een Caribbean mangrove waar het groeide als dunne, witte filamenten op rottende
bladeren van bomen
- Best complexe structuur wat het toelaat zo groot te worden
d) Impact van micro-organismen op ons leven
Micro-organismen als pathogeen voor plant, dier en mens
- Epidemieën als belangrijkste doodsoorzaak voor en tijdens de middeleeuwen
o Vb: builenpest (zwarte dood)
▪ Verwekker: bacterie Yersinia pestis
▪ Overdracht: beten van vlooien en ratten
- Veel infectieziekten onder controle of overwonnen in Westerse wereld
- Nieuwe problemen zoals immunodeficiëntie syndroom – AIDS, multidrug resistentie – MDR - …
- Hartziekten en kanker (vermoedelijk) niet doormicro-organismen
o Voor nu, kan nog veranderen!
Micro-organismen en landbouw
- Stikstoffixatie door Rizobium inoculans bij leguminosae in de nodules/rizobia op wortel
- Vertering van cellulose in rumen bij herkauwers
- Recyclage C, N, S en P
- Graanteelt is afhankelijk van micro-organismen: planten kunnen
stikstof niet fixeren maar micro-organismen wel. Ze geven dit aan de
planten die verbonden zijn door een netwerk van hyfen (zo ook
micro-organismen doorgeven)
o Ene boom na andere op die manier besmet
Micro-organismen en voeding
- Bederf van voedingswaren
- Aanmaak voedingswaren
o Fermentatieproducten: wijn, bier, brood, kaas, zuurkool, …
o Voedingsadditieven: citroenzuur, glutamaat, melkzuur, …
Micro-organismen en industrie
- Biobrandstof: methaan en ethanol
- Antibiotica: cycloheximide uit Streptomyces griseus
- Chemicaliën: vitaminen, aminozuren
- Enzymen: amylase, proteasen, isomerasen
Micro-organismen en milieu
- Bioremediëring
- Compostering
Micro-organismen en biotechnologie
- Modelorganismen: studie cellulaire biochemische en fysiologische processen
- Screening-systemen: drug discovery
- Doelgericht genetisch gemanipuleerde organismen: cell factories
- Gentherapie: virale carriers, recombinante vaccins
2
,e) Historiek
1665 : Robert Hooke
- Beschrijving vruchtlichamen van schimmels
1684 : Antonie van Leeuwenhoek
- Beschrijving bacteriën ‘wee animacules’
1798 : Edward Jenner
- Eerste vaccinatie tegen pokken door koepokkenvirus (vacca = koe) toe te dienen
1857 – 1864: Louis Pasteur
- Rol micro-organismen bij melkzuur- en alcoholfermentatie
- Weerleggen ‘Generatio Spontanea” door aan te tonen dat er micro-organismen aanwezig zijn in de lucht
- Vaccinatie anthrax; cholera, hondsdolheid
Pasteurisatie: Napoleon vroeg aan Pasteur een oplossing voor het probleem dat er teveel muiterij was bij
matrozen omdat de wijn reeds na enkele weken verzuurde.
* Observatie: goede wijn bevatte 1 soort micro-organismen, verzuurde wijn bevatten daarnaast nog anderen
* Redenering: net zoals voor ziekten bij de mens, maken micro-organismen de wijn slecht
* Oplossing: wijn opwarmen tot een temperatuur waarbij de goede smaak behouden blijft maar waarbij alle
micro-organismen worden gedood
1881: Robert Koch
- Technieken voor opzuivering van culturen d.m.v. vaste voedingsbodems
- Kiemtheorie: micro-organismen als ziekteverwekkers
- Identificatie pathogenen : Bacillus anthracis (Anthrax), Myobacterium tubercolosis
(tuberculose), Vibrio cholerae (cholera)
1884: Christian Gram
- Gram-kleuring : onderscheid grampositieve en gramnegatieve bacteriën
1889 – 1991: Martinus Beijenrenick
- Eerste beschrijving virussen: begin van de virologie
- Beschrijving stikstoffixatie: stikstofgas wordt omgezet tot ammonium en komt ter beschikking van planten
– symbiose tussen bacteriën (Rizobium) en planten (Leguminosae)
- Beschrhrijving sulfaatreductie door Spirillum desulfuricans
1953: James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin
- DNA-structuur
1966: Marshall Nirenberg H. Gobind Khonora
- Ontrafeling genetische code
1973: Stanley Cohen, Annie Chang, Robert Helling, Herbert Boyer
- Recombinant DNA technologie
1977: Fred Sanger, Steven Niklen, Alan Coulson
- Methode voor DNA technologie
1985: Kary Mullis
- In vitro DNA amplificatie – PCR methode
1995: Craig Venter, Hamilton Smith
- Eerste volledige sequentie van een bacterieel genoom
3
, 1996: Andre Goffeau – Europees consortium
- Volledige sequentie van het genoom van de bakkersgist Saccharomyces verevisiae
2003: Craig Venter
- Eerste synthetische virus
2004: Sargasso Sea Project
2016: Design and synthesis of a minimal bacterial genome
- Synthetische biologie: micro-organismen maken voor betere darmflora
(gepersonaliseerd)
f) Indeling levende organismen
Oude indeling: 5 rijken (Robert Wittaker, 1969) Nieuwe indeling: evolutionaire verwantschappen tussen micro-
organismen op basis van sequentie-analyse van het gen dat
codeert voor 16S of 18S ribosomaal RNA
- Bacteriën ≠ eubacteria
- Bacteriën = eubacteria + archaea
Van cultiveerbare micro-organismen naar metagonomen
- Metagonomica: maakt gebruik van DNA technologie
Prokaryoten: archaea, bacteria Eukaryoten: algae, fungi, protozoa
- Niet gecompartimentaliseerd - Gecompartimentaliseerd
- Geen mitochondriën, chloroplasten, - 80S ribosomen: subeenheden 40S en 60S
kernmambranen, lysozomen, golig-apparaatn o 40S bevat 18S rRNA
endoplasmatisch reticulum. o 60S bevat 28S, 5S en 5,8 S rRNA
- Niet in staat tot endo- of exocytose - Membranen bevatten lipiden met esterbindingen
- Geen mitotisch delende chromosomen maar tussen glycerol en hydrofobe zijketens (vetzuren)
(meestal) circulair dsDNA niet verpakt in een - Indien celwand: bevat NOOIT peptidoglycaan
kernmembraan - Niet gevoelig aan antibiotica die inwerken op
- 70S ribosomen: subeenheden 30S en 50S Bacteria, wel aan antibiotica die inwerken op
o 30S bevat 16S rRNA eukaryoten
o 50S bevat 23S en 5S rRNA
➔ Soms is verschil flinterdun: ontstaan primaire organellen
4
1) Inleiding
Wat is microbiologie?
▪ Microbiologie: bestudeert micro-organismen
▪ Micro-organismen:
o Organismen die (meestal) niet met het blote oog kunnen waargenomen worden
o Ééncelligen, soms meercelligen, met een minder complexe organisatie en differentiatie dan platenn en
dieren
o Ook virussen – geen celstructuur
a) Micro-organismen als levende cellen
Cel: fundamentele eenheid van leven
- Een geïsoleerde eenheid: omgeven door een membraan (en soms celwand) met binnen chemische componenten
(eiwitten, polysacchariden; lipiden en nucleïnezuren) en subcellulaire structuren (nucleus, nucleoïde)
- Een open dynamisch systeem: communicatie en uitwisseling materiaal met extern milieu
Levende cel: specifieke eigenschappen:
- Voeding en metabolisme: opnamen nutriënten, uitscheiden afvalproducten
- Communicatie: uitwisseling chemische signalen
- Groei en vermenigvuldiging: vorming van dochtercellen
- Differentiatie: weefsels bij meercelligen, vorming van nieuwe celstructuren tijdens levenscyclus bij ééncelligen
(sporen)
- Evolutie: nieuwe eigenschappen bij nakomelingen
Virussen: waarom geen cellen?
- Geen open dynamisch systeem
- Statische partikels: genetische info (RNA of DNA) verpakt in proteïnemantel (kapside) wat op zijn beurt is
omgeven door een lipidemembraan (envelop)
- Geen eigen metabolische activiteit
- Vermenigvuldiging en vermeerdering genetisch materiaal afhankelijk van gastcel
Gemeenschappelijke eigenschappen met levende cel:
o Kunnen zich vermenigvuldigen
o Mutaties mogelijk
➔ Wat is microbiologie?
o Het is een jonge en snel evoluerende wetenschapstak.
o Naar schatting slechts 2-3% van de micro-organismen gekend
b) Belang van micro-organismen en microbiologie
Micro-organismen:
- Vertegenwoordigen de grootste hoeveelheid biomassa op aarde en de grootste diversiteit van alle levende
organismen
- Essentieel voor afbraak organisch materiaal en recyclage van nutriënten
- Kolonisatie van extreme habitats
Microbiologie:
- Een fundamentele biologische wetenschap: studie van biochemische en fysiologische processen
- Een toegepaste biologische wetenschap: geneeskunde – landbouw – industrie/voeding/energie – biotechnologie
Afmetingen van micro-organismen
▪ Prokaryoten: Lengte: 100 nm (0,1 µm) tot > 600 µm – Diameter: 0,1 µm tot > 0,5 µm
▪ Eukaryoten: 2 tot >200 µm
▪ Virussen 10 nm tot 100 nm
c) Hoe MICRO is micro?
Giant virus (reuzevirus)
- Grootte van een bacterie
1
, - Gebouwd zoals een virus
- Overal te vinden: soil – sea bed – in 30 000 jaar oud permafrost
- Afkomstig van virussen die misschien een soort van cellen zijn geworden? Door meer complexe genen te stelen
van meer complexe gastheren?
- Of zijn het overblijfselen van een oude vorm van cellulair leven dat virusachtig over tijd is geworden door verlies
van functies?
Thiomargarita magnifica
- Één bacteriecel, zo groot dat het zichtbaar is met het blote oog
- Grootste bacterie ooit ontdekt: 2 cm → 5000 keer groter dan de normale bacteriecel
- Ontdekt in het water van een Caribbean mangrove waar het groeide als dunne, witte filamenten op rottende
bladeren van bomen
- Best complexe structuur wat het toelaat zo groot te worden
d) Impact van micro-organismen op ons leven
Micro-organismen als pathogeen voor plant, dier en mens
- Epidemieën als belangrijkste doodsoorzaak voor en tijdens de middeleeuwen
o Vb: builenpest (zwarte dood)
▪ Verwekker: bacterie Yersinia pestis
▪ Overdracht: beten van vlooien en ratten
- Veel infectieziekten onder controle of overwonnen in Westerse wereld
- Nieuwe problemen zoals immunodeficiëntie syndroom – AIDS, multidrug resistentie – MDR - …
- Hartziekten en kanker (vermoedelijk) niet doormicro-organismen
o Voor nu, kan nog veranderen!
Micro-organismen en landbouw
- Stikstoffixatie door Rizobium inoculans bij leguminosae in de nodules/rizobia op wortel
- Vertering van cellulose in rumen bij herkauwers
- Recyclage C, N, S en P
- Graanteelt is afhankelijk van micro-organismen: planten kunnen
stikstof niet fixeren maar micro-organismen wel. Ze geven dit aan de
planten die verbonden zijn door een netwerk van hyfen (zo ook
micro-organismen doorgeven)
o Ene boom na andere op die manier besmet
Micro-organismen en voeding
- Bederf van voedingswaren
- Aanmaak voedingswaren
o Fermentatieproducten: wijn, bier, brood, kaas, zuurkool, …
o Voedingsadditieven: citroenzuur, glutamaat, melkzuur, …
Micro-organismen en industrie
- Biobrandstof: methaan en ethanol
- Antibiotica: cycloheximide uit Streptomyces griseus
- Chemicaliën: vitaminen, aminozuren
- Enzymen: amylase, proteasen, isomerasen
Micro-organismen en milieu
- Bioremediëring
- Compostering
Micro-organismen en biotechnologie
- Modelorganismen: studie cellulaire biochemische en fysiologische processen
- Screening-systemen: drug discovery
- Doelgericht genetisch gemanipuleerde organismen: cell factories
- Gentherapie: virale carriers, recombinante vaccins
2
,e) Historiek
1665 : Robert Hooke
- Beschrijving vruchtlichamen van schimmels
1684 : Antonie van Leeuwenhoek
- Beschrijving bacteriën ‘wee animacules’
1798 : Edward Jenner
- Eerste vaccinatie tegen pokken door koepokkenvirus (vacca = koe) toe te dienen
1857 – 1864: Louis Pasteur
- Rol micro-organismen bij melkzuur- en alcoholfermentatie
- Weerleggen ‘Generatio Spontanea” door aan te tonen dat er micro-organismen aanwezig zijn in de lucht
- Vaccinatie anthrax; cholera, hondsdolheid
Pasteurisatie: Napoleon vroeg aan Pasteur een oplossing voor het probleem dat er teveel muiterij was bij
matrozen omdat de wijn reeds na enkele weken verzuurde.
* Observatie: goede wijn bevatte 1 soort micro-organismen, verzuurde wijn bevatten daarnaast nog anderen
* Redenering: net zoals voor ziekten bij de mens, maken micro-organismen de wijn slecht
* Oplossing: wijn opwarmen tot een temperatuur waarbij de goede smaak behouden blijft maar waarbij alle
micro-organismen worden gedood
1881: Robert Koch
- Technieken voor opzuivering van culturen d.m.v. vaste voedingsbodems
- Kiemtheorie: micro-organismen als ziekteverwekkers
- Identificatie pathogenen : Bacillus anthracis (Anthrax), Myobacterium tubercolosis
(tuberculose), Vibrio cholerae (cholera)
1884: Christian Gram
- Gram-kleuring : onderscheid grampositieve en gramnegatieve bacteriën
1889 – 1991: Martinus Beijenrenick
- Eerste beschrijving virussen: begin van de virologie
- Beschrijving stikstoffixatie: stikstofgas wordt omgezet tot ammonium en komt ter beschikking van planten
– symbiose tussen bacteriën (Rizobium) en planten (Leguminosae)
- Beschrhrijving sulfaatreductie door Spirillum desulfuricans
1953: James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin
- DNA-structuur
1966: Marshall Nirenberg H. Gobind Khonora
- Ontrafeling genetische code
1973: Stanley Cohen, Annie Chang, Robert Helling, Herbert Boyer
- Recombinant DNA technologie
1977: Fred Sanger, Steven Niklen, Alan Coulson
- Methode voor DNA technologie
1985: Kary Mullis
- In vitro DNA amplificatie – PCR methode
1995: Craig Venter, Hamilton Smith
- Eerste volledige sequentie van een bacterieel genoom
3
, 1996: Andre Goffeau – Europees consortium
- Volledige sequentie van het genoom van de bakkersgist Saccharomyces verevisiae
2003: Craig Venter
- Eerste synthetische virus
2004: Sargasso Sea Project
2016: Design and synthesis of a minimal bacterial genome
- Synthetische biologie: micro-organismen maken voor betere darmflora
(gepersonaliseerd)
f) Indeling levende organismen
Oude indeling: 5 rijken (Robert Wittaker, 1969) Nieuwe indeling: evolutionaire verwantschappen tussen micro-
organismen op basis van sequentie-analyse van het gen dat
codeert voor 16S of 18S ribosomaal RNA
- Bacteriën ≠ eubacteria
- Bacteriën = eubacteria + archaea
Van cultiveerbare micro-organismen naar metagonomen
- Metagonomica: maakt gebruik van DNA technologie
Prokaryoten: archaea, bacteria Eukaryoten: algae, fungi, protozoa
- Niet gecompartimentaliseerd - Gecompartimentaliseerd
- Geen mitochondriën, chloroplasten, - 80S ribosomen: subeenheden 40S en 60S
kernmambranen, lysozomen, golig-apparaatn o 40S bevat 18S rRNA
endoplasmatisch reticulum. o 60S bevat 28S, 5S en 5,8 S rRNA
- Niet in staat tot endo- of exocytose - Membranen bevatten lipiden met esterbindingen
- Geen mitotisch delende chromosomen maar tussen glycerol en hydrofobe zijketens (vetzuren)
(meestal) circulair dsDNA niet verpakt in een - Indien celwand: bevat NOOIT peptidoglycaan
kernmembraan - Niet gevoelig aan antibiotica die inwerken op
- 70S ribosomen: subeenheden 30S en 50S Bacteria, wel aan antibiotica die inwerken op
o 30S bevat 16S rRNA eukaryoten
o 50S bevat 23S en 5S rRNA
➔ Soms is verschil flinterdun: ontstaan primaire organellen
4
