Was sind Bakterien?

Bakterien sind mikroskopische, einzellige Organismen, die in verschiedenen Umgebungen gedeihen. Diese Organismen können im Boden, im Meer und im menschlichen Darm leben.

Die Beziehung des Menschen zu Bakterien ist komplex. Manchmal helfen uns Bakterien, indem sie beispielsweise Milch zu Joghurt gerinnen lassen oder uns bei der Verdauung unterstützen. In anderen Fällen sind Bakterien zerstörerisch und verursachen Krankheiten wie Lungenentzündung und Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA).

Struktur

Bakterien (Singular: Bakterium) gehören zu den Prokaryoten, das sind einzellige Organismen mit einer einfachen inneren Struktur, die keinen Zellkern haben und DNA enthalten, die entweder frei in einer verdrehten, fadenförmigen Masse, dem Nukleoid, oder in separaten, kreisförmigen Stücken, den Plasmiden, schwimmt. Ribosomen sind die kugelförmigen Einheiten in der Bakterienzelle, in denen Proteine aus einzelnen Aminosäuren unter Verwendung der in der ribosomalen RNA kodierten Informationen zusammengesetzt werden.

Bakterienzellen sind im Allgemeinen von zwei Schutzhüllen umgeben: einer äußeren Zellwand und einer inneren Zellmembran. Bestimmte Bakterien, wie die Mykoplasmen, haben überhaupt keine Zellwand. Einige Bakterien können sogar eine dritte, äußerste Schutzschicht besitzen, die Kapsel. Peitschenartige Fortsätze bedecken oft die Oberfläche von Bakterien – lange, die Flagellen genannt werden, oder kurze, die Pili genannt werden – die den Bakterien helfen, sich fortzubewegen und sich an einen Wirt anzuheften.

Klassifizierung

Ein paar verschiedene Kriterien werden verwendet, um Bakterien zu klassifizieren. Die Organismen können durch die Beschaffenheit ihrer Zellwände, durch ihre Form oder durch Unterschiede in ihrer genetischen Ausstattung unterschieden werden.

Die Gram-Färbung ist ein Test zur Identifizierung von Bakterien durch die Zusammensetzung ihrer Zellwände, benannt nach Hans Christian Gram, der die Technik 1884 entwickelte. Der Test färbt Gram-positive Bakterien oder Bakterien, die keine äußere Membran haben. Gram-negative Bakterien nehmen die Färbung nicht auf. Zum Beispiel ist Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae), der Lungenentzündung verursacht, ein Gram-positives Bakterium, aber Escherichia coli (E. coli) und Vibrio cholerae, der Cholera-Erreger, sind Gram-negative Bakterien.

Es gibt drei grundlegende Bakterienformen: Runde Bakterien, die als Kokken (Singular: coccus) bezeichnet werden, zylindrische, kapselförmige, die als Bazillen (Singular: bacillus) bezeichnet werden, und spiralförmige Bakterien, die als Spirillen (Singular: spirillum) bezeichnet werden. Die Formen und Konfigurationen von Bakterien spiegeln sich oft in ihren Namen wider. So sind z. B. die milchschmeichelnden Lactobacillus acidophilus Bazillen, und die Lungenentzündung verursachenden S. pneumoniae sind eine Kette von Kokken. Einige Bakterien nehmen andere Formen an, wie gestielt, quadratisch oder sternförmig.

Fortpflanzung

Die meisten Bakterien vermehren sich durch einen Prozess, der Binärspaltung genannt wird, so das Cornell University College of Agriculture and Life Sciences. Bei diesem Prozess fertigt eine einzelne Bakterienzelle, die als „Elternteil“ bezeichnet wird, eine Kopie ihrer DNA an und vergrößert sich durch Verdoppelung ihres Zellinhalts. Die Zelle teilt sich dann, wobei das duplizierte Material ausgestoßen wird und zwei identische „Tochterzellen“ entstehen.

Einige Bakterienarten, wie Cyanobakterien und Firmicutes, vermehren sich durch Knospung. In diesem Fall wächst die Tochterzelle als Ableger der Mutterzelle. Sie beginnt als kleiner Knubbel, wächst, bis sie die gleiche Größe wie die Elternzelle hat und spaltet sich ab.

Die DNA, die sich nach der Binärspaltung oder Knospung in Eltern und Nachkommen befindet, ist exakt die gleiche. Daher führen Bakterienzellen Variationen in ihr genetisches Material ein, indem sie zusätzliche DNA, oft aus ihrer Umgebung, in ihr Genom integrieren. Dies wird als horizontaler Gentransfer bezeichnet; die daraus resultierende genetische Variation stellt sicher, dass sich Bakterien anpassen und überleben können, wenn sich ihre Umgebung verändert.

Es gibt drei Arten des horizontalen Gentransfers: Transformation, Transduktion und Konjugation.

Transformation ist der häufigste Prozess des horizontalen Gentransfers und tritt auf, wenn kurze DNA-Fragmente zwischen Spender und Empfänger ausgetauscht werden. Die Transduktion, die typischerweise nur zwischen eng verwandten Bakterien auftritt, erfordert, dass Spender und Empfänger die DNA durch gemeinsame Zelloberflächenrezeptoren übertragen. Konjugation erfordert einen physischen Kontakt zwischen den Zellwänden von Bakterien; die DNA wird von der Spenderzelle auf den Empfänger übertragen. Durch Konjugation kann eine Bakterienzelle DNA auf eukaryotische Zellen (mehrzellige Organismen) übertragen. Konjugation hilft bei der Verbreitung von Antibiotika-Resistenzgenen.

Bakterien in der menschlichen Gesundheit und Krankheit

Bakterien können sowohl nützlich als auch schädlich für die menschliche Gesundheit sein. Kommensale oder „freundliche“ Bakterien teilen sich Platz und Ressourcen in unserem Körper und sind in der Regel hilfreich. Es gibt etwa 10-mal mehr mikrobielle Zellen als menschliche Zellen in unserem Körper; die höchste Anzahl an mikrobiellen Spezies findet sich im Darm, so der Mikrobiologe David A. Relman in einem Artikel aus dem Jahr 2012 in Nature.

Der menschliche Darm ist eine komfortable Umgebung für Bakterien, in der reichlich Nährstoffe für ihren Unterhalt zur Verfügung stehen. In einem 2014 im American Journal of Gastroenterology veröffentlichten Übersichtsartikel erwähnen die Autoren, dass Darmbakterien und andere Mikroorganismen, wie hilfreiche Stämme von E.coli und Streptokokken, bei der Verdauung helfen, die Besiedlung durch schädliche Krankheitserreger abwehren und zur Entwicklung des Immunsystems beitragen. Darüber hinaus wurde die Störung von Darmbakterien mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht. Zum Beispiel haben Patienten mit Morbus Crohn eine erhöhte Immunreaktion gegen Darmbakterien, so eine 2003 in der Zeitschrift The Lancet veröffentlichte Übersichtsarbeit.

Andere Bakterien können Infektionen verursachen. Mehrere Bakterien – von den so genannten Streptokokken der Gruppe A über Clostridium perfringens (C. perfringens) bis hin zu E. coli und S. aureus – können eine seltene, aber schwere Weichteilinfektion namens nekrotisierende Fasziitis (manchmal auch fleischfressende Bakterien genannt) verursachen. Nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention (CDC) befällt diese Infektion das Gewebe um Muskeln, Nerven, Fett und Blutgefäße; sie ist behandelbar, besonders wenn sie früh erkannt wird.

Antibiotikaresistenz

Antibiotika werden üblicherweise zur Behandlung von bakteriellen Infektionen eingesetzt. In den letzten Jahren hat der unsachgemäße und unnötige Einsatz von Antibiotika jedoch die Ausbreitung verschiedener Stämme antibiotikaresistenter Bakterien gefördert.

Bei einer Antibiotikaresistenz sind die infektiösen Bakterien nicht mehr empfänglich für zuvor wirksame Antibiotika. Nach Angaben der CDC infizieren sich jedes Jahr mindestens 2 Millionen Menschen in den USA mit antibiotikaresistenten Bakterien, was zum Tod von mindestens 23.000 Menschen führt.

„So ziemlich jede Infektion, die Sie sich vorstellen können, ist inzwischen mit einem gewissen Grad an Resistenz verbunden“, sagt Dr. Christopher Crnich, ein Arzt für Infektionskrankheiten und Krankenhaus-Epidemiologe an der University of Wisconsin Hospitals und Madison Veterans Affairs Hospital. „Es gibt nur sehr wenige Infektionen, die wir heute behandeln, bei denen Infektionen durch resistente Bakterien kein klinisches Problem darstellen.“

MRSA zum Beispiel ist einer der berüchtigten antibiotikaresistenten Bakterienstämme; er widersteht Methicillin und anderen Antibiotika, die zur Behandlung von Staphylokokken-Infektionen eingesetzt werden, die hauptsächlich durch Hautkontakt erworben werden. MRSA-Infektionen treten in Einrichtungen des Gesundheitswesens wie Krankenhäusern und Pflegeheimen auf, wo sie zu Lungenentzündungen oder Infektionen der Blutbahn führen können. MRSA breitet sich auch in der Gemeinschaft aus, vor allem in Situationen, in denen es viel freiliegende Haut, anderen körperlichen Kontakt und die Verwendung von gemeinsam genutzten Geräten gibt – zum Beispiel unter Sportlern, in Tätowierstudios und in Kindertagesstätten und Schulen. Community-acquired MRSA verursacht am häufigsten schwere Hautinfektionen.

Eine wichtige Facette im Kampf gegen Antibiotika-Resistenzen ist es, vorsichtig mit deren Einsatz umzugehen. „Es ist so wichtig für uns, Antibiotika intelligent einzusetzen“, sagte Crnich gegenüber LiveScience. „Sie wollen nur dann ein Antibiotikum verwenden, wenn Sie eine eindeutige bakterielle Infektion haben.“