Mikrobiologi - Systematik, Vækst, Fødevarer, 5. udgave, 1. oplag, 2018 by Praxis

Herluf Thougaard · René Møller Madsen · Julie Just Munch · Anette Kamuk

Mikrobiologi Systematik • Vækst • Fødevarer Praxis — Nyt Teknisk Forlag

5. udgave

Bogens titel på venstre side

Herluf Thougaard, René Møller Madsen, Julie Just Munch & Anette Kamuk Mikrobiologi Systematik ∙ Vækst ∙ Fødevarer © Forfatterne og PRAXIS, 2005 5. udgave, 2018, 1. oplag, 2018 Forlagsredaktion: Katrine Mølgaard Andersen, kma@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse: Anne von Holck, tegnestuentrojka.dk Fotos: Kapitelforside til kapitel 3, 4, 5, 6, 8 og 17 samt figur 4.3, 4.4 og 19.10: Forfatterne Kapitelforside til kapitel 1, 2, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 18 og 19: Colourbox Kapitelforside til kapitel 7 og 12: Shutterstock Kapitelforside til kapitel 11: NIAID, Flickr, under licensen Creative Commons 2.0 Tegninger: Lars Thorsen Diverse figurtilretninger i 5. udgave: Anne von Holck Omslag: Anne von Holck Omslagsfoto: René Møller Madsen Sat med: Charter ITC og Soho Gothic Pro Trykt på: G-print 130 g Omslag: Carta Elega 290 g Tryk: PNB Print Printed in Latvia 2018 ISBN 978-87-571-2880-2 Varenummer: 44002-1

Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk

Praxis praxis.dk webshop.praxis.dk

Agarplade med kolonier af forskellige slags bakterier.

Den prokaryote celle Alle har hørt om bakterier og har måske en mening om, hvilken betydning bakterier har. Dog er det de færreste, der ved, hvordan en bakteriecelle ser ud, hvor stor den er, og hvordan den er opbygget. Dette bliver gennemgået i det følgende kapitel. Ligeledes bliver det beskrevet, hvad forskellen er på bakterier og arkæer.

Mikrobiologi

Den prokaryote celle er blandt andet karakteriseret ved følgende: • Den har kun ét kromosom • Den er ikke i besiddelse af en cellekerne • Den har ingen mitokondrier. I det hele taget er den prokaryote celle betydeligt enklere i sin opbygning end den eukaryote, ligesom den er meget mindre. De seneste årtiers forskning har blandt andet med brug af genteknologiske metoder vist, at de prokaryote celler kan opdeles i to domæner, Bacteria og Archaea (se kapitel 1), der udviklingsmæssigt er helt forskellige. Nogle af de væsentligste forskelle mellem de to domæner er opremset i figur 3.1.

Figur 3.1. Væsentlige forskelle mellem bakterier og arkæer.

Karaktertræk

Bacteria

Archaea

Henvisninger

Antibiotikafølsomhed

Afsnit 11.11

Murein i cellevæggen

Delafsnit 3.6.2 og afsnit 3.7

Membranlipider

C-kæde ugrenet

C-kæde forgrenet

Delafsnit 3.6.1 og afsnit 3.7

Membranlipider

Opbygget med esterbindinger

Delafsnit 3.6.1 og afsnit 3.7

rRNA

Specielle for bakterierne

Ligner de eukaryotes

Afsnit 12.1 og delafsnit 12.4.1

RNA-polymerase

Relativt små og simple

Mere komplekse; ligner de eukaryotes

Delafsnit 12.4.2

De prokaryote organismer er de ældste af alle levende væsener på jorden. Fra fossiler kan man se, at både bakterier og arkæer udvikledes for omkring 3-4 mia. år siden, hvilket betyder, at de har været til stede i rundt regnet tre gange så lang tid som de eukaryote organismer. Prokaryoterne er også de mest sejlivede væsener, der findes. De sidder på alle ekstrem-rekorderne: Det koldeste voksested, det varmeste voksested, det mest sure vækstmiljø, vækst under det højeste tryk. Som noget helt usædvanligt kan nævnes, at det i år 2000 lykkedes en amerikansk forskergruppe ved et universitet i Pennsylvania at få liv i en bakteriespore, der har ligget i dvale i ca. 250 mio. år. I det følgende er bakteriecellen beskrevet, hvorefter der er en ganske kort præsentation af arkæer.

Den prokaryote celle

3.1. Bakteriecellens form og lejring Set i mikroskopet fremtræder de enkelte bakterieceller med en veldefineret morfologi (ydre form), som er karakteristisk for de enkelte bakteriearter. Som vist i figur 3.2 skelnes der mellem grundformerne kokker, stave og skruer.

a. Kokker eller coccer (= kugleformer)

b. Stavformer – med mere eller mindre regelmæssige cylindriske celler

c. Skrueformer – hvor cellen er udformet som en skrue eller spiral. Spiralerne kan være meget forskelligt udformet: • Som spirokæter med mange små vindinger • Som spiriller med få store vindinger • Som ”S”-former • Som ”måge”-former • Som ”komma”-former.

Der findes alle mellemstadier mellem disse grundformer. Et eksempel herpå er, at man som en mellemting mellem kokker og stave taler om kokkoide stave. Størrelsen af de enkelte bakterieceller er i de fleste tilfælde 0,5-5 μm. Kokkerne har typisk en diameter på ca. 1 μm, mens stavbakterierne typisk er 0,5-1 μm i bredden og 2-5 μm i længden. Bakteriernes formering sker ved en delingsproces, hvorved én bakterie bliver til to. Denne ukønnede form for formering (binær fission) er mere simpel end mitosen hos eukaryote celler. Efter delingen hænger bakterierne ofte sammen og danner bestemte lejringsformer, som er karakteristiske for den enkelte bakterieart. I figur 3.3 ses grundtyperne af disse lejringsformer, der normalt ses mest tydeligt efter dyrkning af bakterierne i et flydende medium.

3.2. Bakteriecellens opbygning Ved den følgende beskrivelse af bakteriecellens opbygning henvises til figur 3.4. I det geléagtige cytoplasma inden for plasmamembranen findes bakteriecellernes arvemateriale, der først og fremmest består af et enkelt ringsluttet kromosom, som indeholder hovedparten af cellens DNA. Desuden forekommer der i bakteriecellerne ofte såkaldte plasmider, der er ganske små enheder af DNA. Plasmiderne har stor betydning for genteknologien (se kapitel 12).

Figur 3.2. Bakteriernes grundformer.

Mikrobiologi

a. Stafylokoklejring – kokker i uregelmæssig drueklaselejring (= hobelejring)

b. Kokker: • i diplokoklejring - to og to • i tetrakoklejring - fire og fire • i pakkelejring - 8 og 8 i pakker (også kaldet for sarcinalejring).

d. Stavbakterier: • i enkeltlejring • i kædelejring.

e. Stavbakterier – i vinkellejring

c. Streptokoklejring – kokker i kæder

Figur 3.3. Bakteriernes lejringsformer.

Direkte oversat betyder det konvolut eller hylster, men der findes ikke noget dansk ord for det.

Fordelt i cytoplasmaet findes ribosomer. De er nogle ganske små korn, der består af rRNA og protein. Ribosomerne fungerer som proteinfabrikker, idet proteinsyntesen foregår i tilknytning hertil. Ribosomernes størrelse angives i enheden S (Svedberg), der er et udtryk for, hvor hurtigt ribosomerne sedimenterer (bundfælder) ved en centrifugering. Et større tal betyder hurtigere sedimentering, og jo større tallet er, des større er ribosomerne. Bakterie-ribosomerne har en størrelse på 70S og er altså mindre end ribosomerne i de eukaryote celler, der er 80S. Princippet i proteinsyntesen er beskrevet i afsnit 12.4. I bakteriernes cytoplasma kan der desuden forekomme granula, hvilket vil sige små dråber eller korn. I figur 3.5 er nævnt nogle få eksempler på sådanne granula, deres sammensætning og funktion. Bakteriecellen afgrænses mod det ydre af flere lag, der samlet set kan betragtes som en slags hylster. Dette “hylster” betegnes i engelsksproget litteratur som “the 1 cell envelope” . I det følgende bruges udtrykket envelope herom. Det yderste lag af cellens envelope består hos nogle bakterier af et slimlag. Hos visse bakterier kan dette lag være meget tykt, som det fx er tilfældet hos bakterieslægten Klebsiella, hvor laget udgør en egentlig slimkapsel.

Den prokaryote celle

Cytoplasma

Pili

Bakteriekromosom med DNA Plasmid Ribosom

Flageller

Granula Slimlag Envelope

Cellevæg Plasmamembran

Figur 3.4. Skitse, der i grove træk viser bakteriecellens opbygning.

Figur 3.5. Eksempler på granula der kan forekomme i bakteriecellerne.

Granula

Hvor de kan findes

Hvad de består af

Deres funktion er

Glycogen

I mange bakterier, fx E. coli

Polymer af glucose

C- og energikilde

Polyhydroxybutyrat

I mange bakterier, fx Pseudomonas

Polymer af hydroxy-butyrat

C- og energikilde

Volutinkorn

I mange bakterier, fx i Corynebacterium-arter

Polymer af phosphat

P- og energikilde

Svovlkorn

I forskellige svovlbakterier

Elementært svovl

Energikilde

Gasvesikler

I cyanobakterier

Gasfyldte proteinbobler

Regulerer cellernes opdrift i vand

Parasporale krystaller

I Bacillus-arter, specielt B. thuringensis

Protein

Virker toksisk på insekter

Chlorosomer

I grønne bakterier

Lipid, protein og bakterieklorofyl

Fotosyntese

Mikrobiologi

Slimlaget har ikke altid nogen påviselig betydning for cellens normale livsfunktioner. Nogle bakterier danner kun slim, når de vokser i ganske bestemte medier. Der findes dog også mange eksempler på, at slimlaget spiller en vigtig rolle. Nogle bakterier er således kun patogene (sygdomsfremkaldende), når de er i besiddelse af et slimlag. Dette kan skyldes, at slimlaget beskytter bakterien mod fx fordøjelsesenzymer og fagocytter (mere herom i kapitel 11). Visse bakterier danner så meget slimet materiale, at det får cellerne til at klistre fast til en overflade. Herefter kan de producere mikrokolonier i dette slimlag og danne et lag, en såkaldt biofilm, der virker som et beskyttende miljø for bakterierne. Opbygningen og betydningen af biofilm er nærmere beskrevet i afsnit 5.3. Inden for slimlaget findes den stive cellevæg, som bestemmer cellens morfologi. Cellevæggens funktion er at virke som beskyttelse mod fysiske og kemiske påvirkninger fra omgivelserne. Den væsentligste del af cellevæggen udgøres af stoffet murein (peptidoglycan), der som et kompliceret netværk omslutter cellen. På grundlag af mængden af murein kan bakterierne opdeles i gram-positive og i gram-negative, hvor de gram-positives cellevæg er opbygget med et tykt lag murein, mens de gram-negatives cellevæg, der er betydeligt mere kompliceret i sin opbygning, kun indeholder en mindre mængde murein. Hvad denne forskel betyder, er mere indgående omtalt i delafsnit 3.6.2. Inden for cellevæggen ligger den tynde plasmamembran, som er selektivt permeabel. Det betyder, at den styrer hvilke stoffer, der kan trænge ind i cellen. Mange af bakteriecellens enzymer, der har betydning for cellens nedbrydningsprocesser, er knyttet til membranen, hvorved den fungerer på samme måde som mitokondrierne i eukaryote celler (se afsnit 2.1).

3.3. Flageller Mange bakterier har flageller (svingtråde) på cellens overflade, hvormed de er i stand til at bevæge sig. De enkelte flageller har en længde på 5-50 μm og en tykkelse på ca. 0,02 μm. De er derfor for tynde til direkte at kunne ses i lysmikroskop, uden at man anvender en speciel og vanskelig farvningsteknik, hvorved flagellerne gøres meget tykkere. Efter antallet og placeringen af flagellerne bruges udtryk som monotrich, lophotrich, amphitrich og peritrich, som er nærmere forklaret i figur 3.6. Det er overvejende stav- og skrueformede bakterier, der har flageller, mens kokker normalt er ubevægelige. Om bakterierne er i besiddelse af flageller – altså er bevægelige – kan påvises ved: • direkte iagttagelse af bevægelighed i mikroskop • dyrkning af bakterierne i halvflydende agar • flagelfarvning.

Den prokaryote celle

Figur 3.6. Flagellernes a. Monotrich – hvor bakteriecellen kun har én flagel, som er anbragt i den ene ende af cellen (mono = en; trich = hår). a

b. Lophotrich – hvor bakteriecellen har et bundt flageller i den ene ende af cellen (lopho = bundt).

c. Amphitrich – hvor bakteriecellen har en flagel i hver ende af cellen (amphi = på begge sider).

d. Peritrich – hvor bakteriecellen er forsynet med flere flageller, der er fordelt over hele overfladen (peri = omkring).

Flagellerne har form som en skrue (eller proptrækker), der er i stand til at rotere og dermed bevæge bakterien gennem mediet. Ved at anvende et såkaldt fugtigt (vådt) præparat under fasekontrast mikroskopi kan man få en idé om flagellernes placering på cellen. En meget retningsbestemt (svømmende) bevægelse med hurtige retningsskift er typisk for celler med én endestillet flagel. Viser cellen såkaldt “tumlende” bevægelse ved retningsskift, tyder det på peritriche flageller. For tydeligt at kunne se denne forskel er det vigtigt, at observationen foretages i et nyt fremstillet præparat, hvor der ikke er for mange celler. Antallet af flageller på den enkelte bakteriecelle er meget varierende mellem forskellige bakteriearter. Fx har Pseudomonas én endestillet flagel (den er monotrich), E. coli har ca. 10, og en bakterieslægt som Proteus har flere hundrede flageller, som er fordelt på hele cellens overflade (de er altså peritriche).

3.4. Pili Pili (ental: pilus) er nogle stive, hule udvækster, som mange bakterier er i besiddelse af. Pili er mest almindelige hos gram-negative bakterier, men forekommer også hos visse gram-positive. Pili er kortere og endnu tyndere end flagellerne. Pili bruges af bakterierne til fasthæftning på overflader. For mange bakterier er det således nødvendigt, at de er i stand til at hæfte sig fast på overflader for at kunne udnytte deres specielle økologiske nicher. Fx har hver celle af E. coli typisk 100-200 pili, hvormed de hæfter sig fast til overfladen af tarmvæggen. Andre pili – såkaldte sex-pili – bruges som kontakt mellem enkelte bakterieceller i forbindelse med overføring af arveanlæg ved den såkaldte konjugationsproces (se afsnit 12.5).

placering på bakteriecellen.

Mikrobiologi

Figur 3.7. Bakteriesporens livscyklus. b

a. b. c. d.

Vegetative celler, som formerer sig ved binær fission. Celler med sporer. Frie sporer. Spirende sporer hvorfra der igen dannes vegetative celler.

Figur 3.8. Sporens placering i cellen.

a. Central – uden opsvulmet celle

b. Endestillet (= terminal) – uden opsvulmet celle

c. Central – med opsvulmet celle (= klostridieform)

d. Endestillet – med opsvulmet celle (= plektridieform eller trommestikform)

3.5. Bakteriesporer Nogle af stavbakterierne er i stand til at danne sporer, hvor betegnelsen endosporer ofte bruges fordi de dannes inde i cellen. Det er en overlevelses- og hvileform. Bakteriernes sporedannelse er ikke en formeringsform, fordi én bakterie danner én spore, som igen spirer til én bakterie (figur 3.7). Sporerne dannes inde i cellerne ved, at arvematerialet og en del af cytoplasmaet koncentreres i et område, der omgives af en tyk væg. Herefter går cellen til grunde, så sporerne frigøres. Under passende forhold kan sporen herefter spire og danne

Den prokaryote celle

en celle, der igen starter vækst og formering. Ved omtale af bakteriesporer bruges udtrykket vegetative celler om de bakterieceller, der ikke indeholder sporer. Af de bakterier, der er omtalt i denne bog, er det kun slægterne Bacillus og Clostridium, som er i stand til at danne sporer. Bakteriesporernes placering i cellen bruges ved beskrivelse af bakterien (identifikation). Se endvidere delafsnit 3.6.3: Mere om bakteriesporens opbygning.

3.6. Mere om bakteriecellens opbygning I dette afsnit gives en mere uddybende beskrivelse af bakteriecellens opbygning – først og fremmest om opbygningen og funktionen af bakteriecellens envelope og om bakteriesporen. Som tidligere omtalt opdeles bakterierne i gram-positive og gram-negative. I figur 3.9, som refereres til i det følgende, er der en skematisk sammenligning af cellens envelope hos gram-positive og gram-negative. Som det ses i figuren, er der stor forskel på opbygningen af bakteriecellers envelope. Hos de gram-positive består den af tre lag: plasmamembran, cellevæg med mureinlag og yderst et slimlag. De gram-negatives envelope er betydeligt mere kompleks i opbygningen med blandt andet en ydre membran og det såkaldte periplasma (mere om periplasma i delafsnit 3.6.2).

Figur 3.9. Sammenligning af strukturen af grampositive og gram-negative bakteriecellers envelope.

Flagel Pilus Slimlag Ydre membran

Periplasma

Murein

Grampositiv

Plasmamembran

Gramnegativ

3.6.1. Plasmamembranens opbygning Det inderste lag af cellens envelope udgøres af plasmamembranen, hvis opbygning er skitseret i figur 3.10.

Mikrobiologi

b Hydrofil ende

NH2 CH2

Ethanolamin

CH2 O

O=P-OH

Hydrofob ende

O CH2-CH-CH2 O

Phosphat Glycerol

O=C C=O Fedtsyrer R R c

Proteinporer

Figur 3.10. Plasmamembranens opbygning.

Membranen består af et dobbeltlag phospholipider, hvor de hydrofile ender vender udad, og de hydrofobe ender vender mod hinanden. Membranen er forsynet med talrige proteinporer, der kan gå helt eller kun delvist gennem membranen. Disse proteinporer virker som transportkanaler, hvori ioner og vandopløste stoffer kan transporteres ind og ud af cellen. I bakterieceller udgør proteinporerne omkring 70 % af membranens materiale, hvilket er en betydeligt større del end i de eukaryote cellers plasmamembraner. Transporten gennem membranen kan enten foregå ved passiv diffusion eller ved aktiv transport. Sidstnævnte drives af et energiforbrugende “pumpesystem”. I den enkelte celle findes mange forskellige typer af sådanne proteinporer, som hver især er i stand til at transportere sit specielle stof. Vandmolekyler kan derimod frit passere ind og ud gennem plasmamembranen. Phospholipidernes sammensætning varierer mellem de forskellige bakteriearter. Fx indeholder de psykrofile bakteriers membran flere umættede fedtsyrer end de mesofile. En analyse af fedtsyresammensætningen kan derfor bruges ved en identifikation af bakterierne. Endvidere kan det nævnes, at fedtsyrekæderne i bakteriernes plasmamembraner er ugrenede, hvilket er en modsætning til kæderne hos arkæer. Fedtsyrerne er bundet til glyceroldelen ved en esterbinding – i modsætning til arkæer, hvor bindingen er en etherbinding. Den hydrophile ende af phospholipiderne kan bestå af flere forskellige forbindelser. Heraf er stoffet ethanolamin det mest almindelige i bakteriernes plasmamembran (vist i figur 3.10.b). Membranen er ens opbygget hos gram-positive og gram-negative bakterier.

Den prokaryote celle

3.6.2. Cellevæggen Cellevæggen ligger mellem plasmamembranen og slimlaget. Den er opbygget meget forskelligt hos gram-positive og gram-negative bakterier (figur 3.9). Hos begge grupper udgør stoffet murein (peptidoglycan) en væsentlig bestanddel. Mureinet er opbygget som skitseret i figur 3.11. b

a NAM CH2 OH 5 O

NAG CH2 OH

O OH

OH 3

O NH H3 C CH O=C C=O NH CH3 CH3 C H C=O

2 NH C=O CH3

O 1

Figur 3.11. Den moleky-

Sidegren

N N NA A N NA A G M NA NAG AM G M M N N NA A NA NAG AM G M N NA AG M M

lære opbygning af stoffet murein. Peptidkrydsbro

N N NA A N NA AM G M NA NAG AM G M N N NA A N NA AM G M NA NAG AM G M

Det ses i figuren, at murein er opbygget med et grundskelet af lange kæder, der skiftevis består af NAG (N-acetyl-glucosamin) og af NAM (N-acetyl-muramin), som er bundet sammen med 1,4-bindinger (figur 3.11.a). På hvert NAM-molekyle er der i 3-stillingen en sidegren, der består af fire aminosyrer – et tetrapeptid (i figuren ses kun den ene aminosyre). Grundskelettets kæder er koblet sammen på tværs med krydsbroer mellem NAM’s tetrapeptider, som vist i figur 3.11.b. Mureinets grundskelet er ens for alle bakterier. Sidegrenene og krydsbroerne kan derimod være forskellige hos forskellige bakteriearter. Gennem den skitserede opbygning danner mureinet ét kæmpestort molekyle, der fuldstændig omslutter bakterien som en slags ringbrynje, og som giver bakterien dens form. Hos de gram-positive indeholder cellevæggen 35-40 af sådanne mureinmolekyler uden på hinanden, mens der hos de gram-negative kun findes 1-2 mureinmolekyler. De gram-positive bakteriers envelope indeholder desuden betydelige mængder af stoffet teichoinsyre, der er store molekyler (polymerer af glycerol og ribitol), som strækker sig fra plasmamembranen gennem mureinlaget til ydersiden af bakteriens envelope. Teicoinsyrens funktion er ikke fuldt forstået, men den menes at have betydning for opretholdelse af strukturen af envelope. De gram-negative bakteriers envelope er som tidligere nævnt betydeligt mere kompliceret i sin opbygning. Af figur 3.9 fremgår det, at den inderst består af plasmamembranen og udenpå et lag murein. Opbygningen af envelope er som hos de grampositive, men mureinlaget er meget tyndere, idet det kun består af 1-2 mureinmolekyler. Ligeledes ses det af figur 3.9, at slimlaget er som hos de

Mikrobiologi

Figur 3.12. Opbygning af cellevæggen hos gramnegative bakterier.

Lipopolysakkarid (LPS)

Ydre membran

Lipoproteiner (LP)

Periplasma eller Periplasmatiske rum

Murein

Plasmamembran

gram-positive bakterier. Mellem mureinlaget og slimlaget har den gram-negative bakteries envelope tre komponenter, som er specielle: lipoprotein, ydre membran og lipopolysakkarid. Opbygningen fremgår af figur 3.12. Lipoprotein består af store molekyler med en proteindel, der er hydrofil, og en lipiddel, der er hydrofob. Lipoproteinmolekylerne fungerer som bindeled mellem mureinlaget og den ydre membran, idet proteindelen er peptidbundet til mureinets tetrapeptidkæder, og lipiddelen indgår i den ydre membran. Lipoproteinet menes at stabilisere den ydre membran ved at forankre den til mureinlaget. Den ydre membran er lige som plasmamembranen opbygget som en struktur af to lag. Det indre lag består dels af phospholipider og dels af lipoproteinernes hydrofobe del. I det yderste lag er phospholipiderne erstattet af LPS (LipoPolySakkarid-molekyler). Ligesom i plasmamembranen, findes der også indlejret protein (PP) i denne ydre membran. LPS-molekylerne er meget komplekse molekyler, hvis opbygning og egenskaber er ganske kort beskrevet i det følgende. Den inderste del af LPS-molekylet, der indgår som en del af membranen, består af et antal langkædede fedtsyrer, som er koblet til et glukosamin-disakkarid molekyle. På ydersiden findes en core (kerne), der består af fedtsyrer, kulhydrat og aminer. Uden for denne kerne ender det hele i en kæde, der består af (op til 40) identiske enheder af sakkarider. Disse kæder er artsspecifikke og udgør hovedparten af det såkaldte O-antigen.

Den prokaryote celle

LPS, der er meget toksisk for dyr, kaldes også for endotoksin, fordi det er bundet som en del af cellevæggen og først frigøres, når cellen lyseres (opløses). Endvidere bruges betegnelsen pyrogen om endotoksinerne, fordi de virker feberfremkaldende hos dyr og mennesker, hvis de kommer i blodbanen. Rummet mellem de to membraner i gram-negative bakterier betegnes som det periplasmatiske rum (eller blot som periplasmaet). Indholdet heri er en geléagtig masse, der blandt andet indeholder en række oligosakkarider, som menes at spille en rolle i forbindelse med reguleringen af det osmotiske tryk i cellen. Rygraden i bakteriernes mureinskelet kan nedbrydes af enzymet lysozym (muramidase), der spalter 1,4-bindingerne mellem NAM og NAG (figur 3.11.a). Lysozym findes naturligt i dyriske sekreter som tårer, spyt m.v. samt i æggehvide, hvor det udgør en del af organismens medfødte immunforsvar (faste forsvarssystem – mere herom i kapitel 11) og er med til at beskytte organismen mod bakterieinfektion. Gram-positive bakterier, der behandles med lysozym, vil opløses (lysere), fordi strukturen i deres cellevæg opløses. De gram-negative bakterier er derimod mindre følsomme over for lysozym, fordi den ydre membran hindrer lysozymets indvirken. Et eksempel på denne forskel er, at æg, der indeholder lysozym, normalt ikke fordærves af gram-positive bakterier. Flere forskellige antibiotika, som fx penicillin, virker ved, at de hæmmer dannelsen af murein. Penicillin indvirker derfor hovedsagelig på bakterier, der er i vækst, mens bakterier, der ikke er i vækst og derfor ikke producerer nyt cellevægsmateriale, er mindre følsomme over for behandling med penicillin. Penicillin er mest effektivt over for de gram-positive bakterier. Hos de gram-negative er mureinet beskyttet af den ydre membran, som penicillinet ikke kan trænge igennem. Grundlaget for gramfarvning kan også forklares ud fra cellevægsstrukturen. Som bekendt kan man med gramfarvningen skelne mellem gram-positive og gram-negative bakterier. Denne skelnen beror på, at de gram-positive har et tykt lag murein, som giver en så tæt struktur, at de ikke kan affarves med absolut alkohol, men altså forbliver farvede, og dermed er gram-positive. På samme måde kan grambestemmelse ved den såkaldte KOH-metode forklares. Ved udrøring i 3 % KOH vil de gram-negative cellers envelope gå i stykker, mens de gram-positive med deres solide mureinlag holder til denne behandling. Herefter kan der trækkes lange slimtråde (af cellernes DNA-indhold) fra de gram-negative, mens der ikke kan trækkes slimtråde fra de gram-positive.

3.6.3. Mere om bakteriesporens opbygning Bakteriesporernes mest bemærkelsesværdige egenskab er deres høje termoresistens (evne til at overleve høje temperaturer) samt deres resistens mod en række kemiske forbindelser og bestråling. Årsagen til dette skyldes sporens specielle cellulære struktur. Yderst er sporen omgivet af en proteinholdig “spore coat”, der giver den en stor modstandsdygtighed over for en række kemiske og enzymatiske påvirkninger. Under denne coat findes et tykt lag af en særlig variant af murein, betegnet cortex, også kaldet en skal (se mere herom i delafsnit 3.6.2). Denne

Mikrobiologi

cortex sørger blandt andet for en dehydrering (fjernelse af vand), hvilket hjælper til at sikre høj modstandsdygtighed over for varme. Under cortex findes en kimcellevæg, der i opbygning udgør mureinlaget i cellevæggen på bakteriecellen. Efter denne cellevæg findes en indre membran. Denne membran er en vigtig barriere over for en række skadelige kemiske forbindelser. I sporens centrum findes kernen (eng. core). Dette område er nærmest vandfrit og indeholder cellens DNA, ribosomer og en stor mængde af stoffet DPA (dipicolinic acid). DPA er en endospore-specifik forbindelse (findes kun i endosporer), der udgør 5-15 % af sporens tørstofvægt. DPA menes at have en vigtig funktion med hensyn til at bevare sporens dvaletilstand samt at sikre, at frit vand bindes i et kompleks med calciumioner, hvilket giver større varmeresistens. Nogle sporer kan desuden have endnu et ydre lag af glycoproteiner (et exosporium).

Figur 3.13. Tværsnit af en endospore. Coat Ydre membran

Kerne

Cortex/Skal

Kimcellevæg

Indre membran

3.7. Arkæer Som nævnt opdagede man i 1970’erne en gruppe bakterier, der var så afvigende, at de blev samlet under en ny betegnelse, archaeabakterier. Senere har det vist sig, at disse organismer er noget helt for sig selv, idet de i adskillige henseender ligner de eukaryote lige så meget, som de ligner bakterier. Man bruger nu betegnelsen arkæer, der betyder “de gamle”, om disse organismer. Morfologisk ligner arkæernes celler bakterierne. De har ca. samme størrelse og deres form kan være som kokker eller stave. Desuden finder man inden for arkæer også mere specielle former: trekantede og terningformede. Nogle af forskellene mellem arkæer og andre organismer er nævnt i det følgende:

Den prokaryote celle

• Arkæer har ikke murein i deres cellevæg, hvorved de adskiller sig fra bakterierne. • Nogle af de mest markante forskelle mellem arkæer og alle andre organismer ligger i opbygningen af deres plasmamembran. • Den hydrofobe del af plasmamembranen består hos arkæerne af forgrenede kæder med en længde på 20 C atomer eller mere – mens man hos alle andre finder uforgrenede kæder med 16-18 C atomer. • Kædernes binding til glycerol er en etherbinding, mens man hos alle andre levende organismer her finder en esterbinding. • Glycerolmolekylet er stereokemisk af L-formen – i modsætning til alle andre organismer, hvis glycerol er af D-formen. • Arkæernes DNA er mange steder i besiddelse af introns – som bakterierne ikke har, hvorimod de findes i eukaryoternes DNA. • Arkæernes RNA-polymerase (se delafsnit 12.4.2) er af en kompleks type, hvorved de langt mere ligner eukaryoter, end de ligner bakterier. Arkæer omfattes i høj grad af extremofile organismer, hvilket vil sige, at de lever under ekstreme fysiske forhold (i forhold til vore normer). Efter deres fysiologi kan arkæerne opdeles i tre grupper: • Methanogene – som producerer methan • Ekstremt halofile – som lever ved meget høje koncentrationer af salt • Ekstremt termofile – som lever ved meget høje temperaturer. De methanogene er obligat anaerobe (se delafsnit 4.8.2). Under deres metabolisme dannes methan (CH4) som slutprodukt. Denne gruppe arkæer findes vidt udbredt i fx sumpområder. De methanogene arkæer er også en normal bestanddel af drøvtyggernes mave-tarmflora. En almindelig ko udskiller således omkring 100 liter CH4 i døgnet i forbindelse med drøvtygningen. Det meste af den naturgas, vi i dag nyder godt af, er også produceret af methanogene arkæer. Som et eksempel på en slægt, der hører til denne gruppe, kan nævnes Methanobacterium. De ekstremt halofile er aerobe og forekommer i omgivelser som fx Det døde Hav. Disse arkæer kræver minimum 8 % salt, har optimum ved 17-23 % og kan for nogles vedkommende leve i mættede saltopløsninger (36 %). Hvis der er mindre end 8 % salt i mediet går deres cellevæg i stykker. Som eksempel på en slægt, der hører hertil, kan nævnes Halobacterium. De ekstremt termofile omfatter flere forskellige udviklingslinier af Arkæer. De er specielle ved, at de kræver en meget høj temperatur for at vokse (80-105 °C). Deres membraner og enzymer er usædvanligt stabile over for høje temperaturer. Denne gruppe findes blandt andet i varme kilder og steder på havbunden med vulkansk aktivitet, hvor der sker udsivning af meget varmt vand fra havbunden. De mest termotolerante arkæer, man hidtil har fundet, kan under disse forhold vokse ved 121 °C. Et eksempel er den termofile slægt Sulfolobus. Mange af de termofile arkæer er desuden meget tolerante over for pH, idet de kan vokse ved en pH på 2-3.

Mikrobiologi

3.8. Repetitionsspørgsmål

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

Tegn en bakterie med peritriche flageller. Hvilken funktion har bakteriernes slimkapsel? Hvad er en stafylokoklejring? Hvad betyder det, at en bakterie er patogen? Skitsér en pakkelejring. Hvordan kan man undersøge, om bakterier er bevægelige? Nævn bakteriernes morfologiske grundformer. Hvordan adskiller bakteriernes flageller sig fra de eukaryote cellers flageller? Hvordan ser kokkoide stave ud? Tegn en bakterie med en terminal spore. Hvor mange flageller har en kolibakterie? Hvad betyder det, at en bakterie er termoresistent? Hvad forstås ved udtrykket “vegetative” celler? Tegn en bakterie, der er plektridieformet. Hvilken funktion har stoffet murein i bakteriernes cellevæg? Hvilken funktion har bakteriernes endosporer? Hvordan ser en amphitrich bakterie ud? Hvad er et pyrogen? Hvad er et plasmid?

Mikrobiologi Systematik • Vækst • Fødevarer Hvordan forårsager mikroorganismer sygdomme som fødevareforgiftning, ebola, borreliose og rævebændelorm? Og hvordan udnyttes andre mikroorganismer som Saccharomyces, E. coli og probiotiske bakterier i madlavning, i produktion af øl og i kroppens tarmsystem? Mikrobiologi giver en god forståelse af de forskellige mikroorganismer, deres vækst, deres funktioner samt deres rolle i fødevareproduktion. Bogens første del indeholder en grundig gennemgang af den moderne systematiske bakteriologi, og derudover beskrives virus, svampe, protozoer og parasitter. Anden del af bogen giver en grundig indføring i fødevarernes produktion, mikrobiologiske risici samt konserveringsmetoder, og hvordan man kan arbejde med fødevaresikkerhed, så mikroorganismerne ikke udgør en sundhedsrisiko. Bogens målgrupper er studerende ved korte og mellemlange videregående uddannelser på det sundhedsfaglige, fødevareteknologiske, laboratorietekniske og procesteknologiske område samt mindre produktioner/virksomheder, der arbejder med mikrobiologi. Bogen kan også anvendes til temaundervisning i fx biologi eller bioteknologi i gymnasiet. Desuden kan den benyttes som opslagsværk for særligt mikrobiologiinteresserede. Endelig kan mindre fødevarevirksomheder have gavn af kapitlerne om hygiejne, egenkontrol og fødevaresikkerhed. Denne 5. udgave er ajourført og grundigt revideret. Der er blandt andet tilføjet afsnit om biofilm og tarmbakterier. Desuden er kapitlerne om fødevaresikkerhed blevet udvidet, således at de kan bruges som opslagsværk af fødevarevirksomheder. Endelig er bogen blevet opdateret med et helt nyt layout.

ISBN 978-87-571-2880-2

978-87-571-2880-2

praxis.dk

varenr. 44002-1