Mikrobiologie der Neuzeit

Die Entwicklung der Mikrobiologie Die Mikrobiologie ist ein Teilgebiet der Biologie und beschäftigt sich mit den Mikroorganismen, den kleinsten Lebewesen der Erde. Sie beschreibt der Neuzeit begann zwei Jahrhunderte später und wurde von zwei Persönlichkeiten dominiert – dem französischen Chemiker Louis Pasteur und dem deutschen Mediziner und Mikrobiologen Robert Koch. In dieser Zeit (1860 bis 1910) wurden die entscheidenden Methoden der Mikrobiologie entwickelt. Man nannte sie auch die Zeit der Gärungsprozesse und medizinischen Mikrobiologie. Louis Pasteur konnte durch Experimente in den Jahren 1854 bis 1861 die bereits erwähnte Theorie und Hypothese durch van Leeuwenhoek widerlegen. Er wies nach, dass Mikroorganismen Mikroorganismen stellen die Wurzel des „Stammbaums des Lebens“ auf der Erde dar. Sie produzieren etwa zwei Drittel der gesamten Biomasse als Katalysator von Gärungsprozessen und als Erreger von Infektionskrankheiten Unter Infektionskrankheiten versteht man vereinfacht das Eindringen, das Vorhandensein sowie die Vermehrung von Krankheitserregern, (Viren, Bakterien, Pilzen, Protozoen oder Parasiten) verantwortlich sind. Pasteur entdeckte auch, dass durch das kurzzeitige Erhitzen von Lebensmitteln ein Großteil der darin enthaltenen Keime abgetötet wird. Dieses Verfahren wird deshalb als Pasteurisierung bezeichnet. In der Zeit als Dekan und Professor für Chemie an der naturwissenschaftlichen Fakultät in Lille entdeckte Pasteur das für die Milchsäuregärung verantwortliche Bakterium. Damit konnte er eine weitere Theorie widerlegen – die des Chemikers Justus von Liebig. Pasteur bewies, dass die Milchsäure- und alkoholische Gärung durch Mikroorganismen verursacht wird und ein von lebenden Zellen abhängiger Prozess ist. Die große Erkenntnis der damaligen Zeit war, dass Gärungen ein Leben ohne Sauerstoff ermöglicht. Pasteur widerlegte die bis zu dem Zeitpunkt etablierte Meinung und wies nach, dass es sich bei der Fermentation Unter Fermentation wird die Stoffumwandlung mit Hilfe von Mikroorganismen und in vielen Fällen von Pilzen verstanden. Das Impfmaterial für die um einen chemischen Prozess in lebenden Mikroorganismen handelt.¹

Pasteur entwickelte mit anderen Wissenschaftlern seiner Zeit Methoden der Sterilisation Sterilisation bezeichnet das Verfahren durch das Materialien und Gegenstände von lebenden Mikroorgansimen sowie Viren, Prionen und andere DNA-Fragmente befreit werden. und Desinfektion Aufgabe der Desinfektion ist das gezielte Abtöten oder Inaktivieren der pathogenen Mikroorganismen. Desinfektionsverfahren können mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden . Die Erkenntnis, dass ein Erhitzen der Lösungen die Gär- oder Fäulnisprozesse verhindern kann, führte in der Folgezeit zur Entwicklung der Sterilisationstechnik. Diese wurde für die nachfolgenden mikrobiologischen Forschungsarbeiten unerlässlich. Als dritte Leistung müssen die Beiträge zur medizinischen Mikrobiologie anerkannt werden und hierbei vor allem die Bekämpfung von Infektionskrankheiten durch Impfung Bei der Impfung, die auch als Inoculation bezeichnet wird, werden Mikroorganismen oder Teile von ihnen auf ein Substrat (beispielsweise ein . Aufbauend auf die Erkenntnisse von Jenning wies Pasteur nach, dass Stämme von Krankheitserregern, die ihre aktive Wirkung verloren haben, als Impfstoffe eine Immunität Als Immunität wird die erworbene, spezifische Unempfindlichkeit gegenüber bestimmten Krankheiten oder anders ausgedrückt der Zustand der Unempfindlichkeit bzw. einer deutlich gegen virulente Stämme bewirken können.¹

Zur gleichen Zeit konnte der Bakteriologe Robert Koch (1843 bis 1910) nachweisen, dass bestimmte Bakterienarten (Milzbrandsporen) Infektionskrankheiten (Anthrax) verursachen bzw. auslösen können. Hierzu richtete sich Koch in seiner Wohnung ein einfaches Labor ein, das in den Jahren 1870 bis 1876 Schauplatz bahnbrechender bakteriologischer Entdeckungen werden soll. Mittels Langzeitmikroskopie und unter Verwendung eines erhitzten und warmgehaltenen Mikroskoptisches an Reinkulturen konnte Robert Koch den Erreger nachweisen. Zu den größten Entdeckungen zählte, dass die Mikroorganismen sehr widerstandsfähige Dauerformen ( Sporen Der Begriff Sporen ist aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet so viel wie das Säen, die Saat oder der Samen. ) hervorbrachten, die unter entsprechenden Bedingungen zu neuen Stäbchen heranwuchsen. Die Veröffentlichung, die 1876 unter dem Titel „die Ätiologie der Milzbrand-Krankheit – begründet auf die Entwicklungsgeschichte des Bacillus Bacillusarten bilden Sporen, die einen charakteristischen „muffigen“ Geruch aufweisen. Sie können durch ihre Fähigkeit, Sporen zu bilden, auch in trockener anthracis“ erschien, erregte großes Aufsehen.

Da Robert Koch den Schlüssel zur Aufklärung weiterer Infektionskrankheiten vorlegte, erntete er für diese Experimente hohe Anerkennung. Vier Jahre später wechselt Robert Koch an das Kaiserliche Gesundheitsamt in Berlin, an dem er am 24. März 1882 die Entdeckung des Lungentuberkuloseerregers veröffentlicht. Ermöglicht wurde diese Arbeit durch eine Reihe von technologischen Innovationen, die Koch und seine Mitarbeiter entwickelt oder verbessert hatten. Beispielhaft soll die Bakterienfärbung mittels Anilinfarben, die Mikrophotographie oder auch Reinkultur Eine Reinkultur ist eine Population aus der Nachkommenschaft einer einzelnen Zelle. Die Methoden für das Anlegen einer Reinkultur sind unterschiedlich, genannt werden. Im Jahr 1885 wurde Robert Koch Leiter des Hygiene Das Wort Hygiene stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „eine der Gesundheit zuträgliche Kunst“. Es ist von -Institutes und war an der Berliner Universität und der Charité tätig. Ab 1891 war er Direktor des Königlich Preußischen Instituts für Infektionskrankheiten – dem heutigen Robert Koch Institut. Rückblickend kann man festhalten, dass Louis Pasteur und Robert Koch Institutionen schufen, die das Zeitalter der medizinischen Mikrobiologie und Hygiene einleiteten. Robert Koch gilt darüber hinaus als Begründer der Bakteriologie Bakteriologie ist die Wissenschaft von den Bakterien, ihrer systematischen Einteilung sowie der Behandlung und Verhütung der Krankheiten, die durch Bakterieninfektionen . Für seine Forschungsarbeit und sein Lebenswerk erhielt er im Jahre 1905 den Nobelpreis. Parallel zur Bakteriologie entwickelte sich auch die Mykologie Der Begriff Mykologie leitet sich von dem griechischen Wort μύκης (mýkes) für Pilz ab und entstand im 18. Jahrhundert. Die . Im Jahre 1866 wurde durch Anton de Bary das erste Lehrbuch der Mykologie vorgelegt. In diesem wurden grundlegende Erkenntnisse über parasitäre Pilzerkrankungen beschrieben, so dass sich dieses zum Standardwerk der Mykologie entwickelte.

In diesen Zeitraum fiel auch die Entwicklung der ökologischen Mikrobiologie. Der Schwerpunkt der mikrobiologischen Forschung lag darin, die Wirkung und Funktion der Mikroorganismen in oder auf den Stoffkreislauf der Natur zu erkennen. Außerdem wurde die Komplexität des mikrobiellen Stoffwechsels erforscht. Besondere Verdienste bei der Aufklärung der Rolle der Mikroorganismen im Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf sowie bei der Entwicklung der dazu notwendigen Kulturen haben sich Winogradsky und Beijerinck erworben. Winogradsky beispielsweise zeigte, dass Bakterien Der Begriff Bakterien (Bacteria) ist aus dem altgriechischem (bakterion = Stäbchen) abgeleitet und wird in der Mikrobiologie traditionell für alle befähigt sind, reduzierte Schwefelverbindungen zu oxidieren und mit der dabei gewonnenen Energie Kohlendioxid der Luft zum Aufbau der Zellsubstanz zu assimilieren. Als Ergebnis dieser Experimente und seiner zahlreichen Forschungsreihen konnte er im Jahre 1887 das Konzept der Chemoautotrophie aufstellen, mit dem die selbständige Ernährung von Organismen beschrieben wird.¹

Beijerinck dagegen konzentrierte sich auf Luftstickstoff bindende Bakterien. Im Jahre 1888 gelang es ihm, die so genannten Knöllchenbakterien zu isolieren. Diese binden in Symbiose mit Leguminosen Stickstoff und freilebende Azotobacter Alle organischen, synthetisch hergestellten Verbindungen, bei denen zwei organische Moleküle durch eine Azogruppe verbunden sind. Diese Azogruppe besteht aus zwei -Arten. Unter Mithilfe der Anreicherungskultur konnte Beijerinck die Sulfat zu Schwefelwasserstoff reduzierenden Bakterien aus anaeroben Sedimenten isolieren, womit grundlegende mikrobielle Stoffwechselreaktionen nachgewiesen wurden. Diese Stoffwechselreaktionen können entscheidende Reaktionen in den so genannten bio-geo-chemischen (biologischen, geologischen und chemischen) Zyklen der Elemente katalysieren. Diese Erkenntnisse griff A. J. Kluyver auf und untersuchte ein breites Spektrum an aeroben, anaeroben und chemoautotrophen mikrobiellen Stoffwechselprozessen. Die Forschung Kluyvers gipfelte in seinem „Konzept der Einheit der Biochemie die Wissenschaft von den chemischen Bestandteilen der Lebewesen und den Reaktionen, die den Lebensvorgängen zu Grunde liegen. Die Biochemie ist “, das 1926 veröffentlichte wurde. Die wesentliche Aussage besteht darin, dass die Grundphänomene des Stoffwechsels bei allen Organismen gleich sind. Aufgegriffen wurden diese Forschungen durch C. B. van Niel – einem Schüler von Kluyver – der den Stoffwechsel phototropher Bakterien untersuchte, die Schwefelwasserstoff zu Schwefel oxidieren konnten. Van Niel konnte damit belegen, dass Schwefelwasserstoff die gleiche Rolle wie Wasser bei der Photosynthese Die Photosynthese ist eine Stoffwechselreaktion chlorophyllhaltiger Organismen (grüne Pflanzen sowie einige Bakterien und Algen), bei der organische Verbindungen aus anorganischen der Pflanzen einnimmt. Daraus konnte ein weiterer Meilenstein abgeleitet werden. Mit dieser Erkenntnis, dass der bei der Photosynthese gebildete Sauerstoff aus dem Wasser und nicht wie bisher angenommen aus dem Kohlendioxid stammt, trug die Mikrobiologie seiner Zeit maßgeblich zur Aufklärung dieses grundlegenden biologischen Prozesses bei.¹

Im großen Schatten von Pasteur und Koch wird allerdings oft vergessen, dass ein weiterer Meilenstein in diesen Zeitraum fällt. Bereits 1896 bereitete Ernest Duchesne eine Lösung aus Schimmelpilzkulturen zu und injizierte sie mehreren erkrankten Meerschweinchen. Nach der verabreichten Injektion waren alle Tiere in der Lage, zu genesen. Somit gilt Duchesne als erster Entdecker der antimikrobiellen Wirksamkeit von Schimmelpilzen und machte bereits 30 Jahre vor Alexander Fleming die Beobachtung, dass bestimmte Schimmelpilze Pilze sind weit verbreitete Organismen auf der Erde und besiedeln unterschiedlichste Substrate, auf oder in denen sie auf Grund ihrer über antibiotische (Bakterien abtötende) Eigenschaften verfügen.

¹ Fritsche in „Mikrobiologie“ (Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg)