ATBC an der TU Braunschweig

Karteikarten und Zusammenfassungen für ATBC an der TU Braunschweig

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Wie erfolgt die Suche nach Mikroorganismen mit bestimmten Eigenschaften und wie lassen sich diese bestimmen?

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Welche Kultivierungstechniken gibt es für Mikroorganismen?

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Welche Elemente sind in den Medien essentiell? Was sind Spurenelemente?
Was ist der Unterschied zwischen einem Komplex- und Minimalmedium? Was
passiert wenn Glucose mit Hefeextrakt (hohe Konzentration) gemeinsam
sterilisiert wird? Welche Nebenelemente fallen ggf. mit anderen
Mediumsbestandteilen bei der Sterilisation aus?

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Welche Methoden zur Mediumsoptimierung kennen Sie?

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Wie unterscheiden sich generell Katabolismus und Anabolismus?

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Was zeichnet autotrophe und heterotrophe Mikroorganismen aus?


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Welche wichtigen Vorgänge finden in der Glycolyse statt? Wie lautet die
chemische Gesamtgleichung? Wieviel ATP und NADH H+ werden netto
gebildet? Bei welchem Molekül endet die Glycolyse und wie kann diese
Verbindung weiter metabolisiert werden?

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Welche Moleküle „starten“ den Citratzyklus? Gehört der Citratzyklus zum
Katabolismusoder Anabolismus? Welche und wieviel Reduktionsäquivalente
werden gebildet?

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Wie werden Aminosäuren abgebaut?

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Wie können Mikroorganismen sterilisiert bzw. sterile Flüssigkeiten
hergestellt werden? Wie lautet die Abtötungskinetik während der Sterilisation
und wie lassen sich die Sterilisationszeiten berechnen bei Vorgabe einer
verbleibenden Keimzahl?

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Wie lassen sich Zellzahl und –Masse quantitativ bestimmen? Zeigen Sie die
Unterschiede der einzelnen Methoden auf.

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Wie unterscheiden sich Modelle zur Beschreibung der Wachstumskinetik von Mikroorganismen? Erläutern sie das Monod-Modell. Für welche Wachstumsphasen gilt dieses Modell? Leiten sie den Zusammenhang zwischen spezifischer Substratverbrauchsrate, max. Wachstumsrate und Ertragskoeffizient her.

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ATBC

Wie erfolgt die Suche nach Mikroorganismen mit bestimmten Eigenschaften und wie lassen sich diese bestimmen?

  • verschiedene Quellen für Mikroorganismen
    Stammsammlungen, individuelle Screenings, rekombinante Stämme und sogenannte Risikoklassen. 
  • Bestimmung dieser erfolgt über Methoden wie die
    • Mikroskopie (Morphologie, Gramfärbung)
    •  Untersuchungen der Chemo-Taxonomie (z.B. Fettsäurezusammensetzung). 
    • molekularbiologische Methoden (GCGehalt, 16- bzw. 18S-rRNA-Sequenz, DNA-Hybridisierung) 

ATBC

Welche Kultivierungstechniken gibt es für Mikroorganismen?

Es gibt vier verschiedene grundlegende Kultivierungstechniken:

  • Agar-Platten,
  • Agar-Röhrchen,
  • Schüttelkolben und
  • Bioreaktoren.

ATBC

Welche Elemente sind in den Medien essentiell? Was sind Spurenelemente?
Was ist der Unterschied zwischen einem Komplex- und Minimalmedium? Was
passiert wenn Glucose mit Hefeextrakt (hohe Konzentration) gemeinsam
sterilisiert wird? Welche Nebenelemente fallen ggf. mit anderen
Mediumsbestandteilen bei der Sterilisation aus?

Essentiell für ein jedes Medium

  •  C, H, N, O, S, P, Na, K.
  • in großer Menge
  • knapp 99 % des Trockengewichtes des Mediums

Spurenelemente

  • Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu


Minimalmedium

  • bei Organismen,deren genauen Nährstoffbedürfnisse man kennt
  • nur die Elemente bzw. Verbindungen die der Organismus benötigt, um wachsen zu können
  • Bsp: Glucose, (NH4)2SO4, K2HPO4, KCl, MgSO4


Komplexmedien

  • genauen Bedürfnisse nicht bekannt
  • verschiedene komplexe Stoffe, sodass der Organismus definitiv wachsen kann
  • Bsp: Malzextrakt, Hefeextrakt und Pepton (evtl. noch + Glucose)
  • variables Spektrum an Proteinhydrolysaten, Vitaminen, Spurenelementen, und Salzen

Sterilisation von Glucose gemeinsam mit Hefeextrakt

  • Maillard-Reaktion
  • Zucker reagiert mit im Hefeextrakt frei vorliegenden Aminosäuren zu Polymeren
  • charakteristischen Braunfärbung
  • Aminosäuren sind somit verloren
  • Magnesium und Calcium fallen in Anwesenheit von Phosphat als unlösliche Hydrogenphosphate aus
  • Lösung: separate Sterilisation, Zugabe von Komplexbildnern wie Zitronensäure oder EDTA.

ATBC

Welche Methoden zur Mediumsoptimierung kennen Sie?

  • umfassendste, kostspieligste Methode: Elementaranalyse des Mikroorganismus
  • Sequenzmethode: gestufte Experimente --> empirische Verbesserung
  • faktorielles Design: verschiedene Faktoren verändert -->  Auswirkungen auf
    das Wachstum des Mikroorganismus beobachtet (Modifikation von n Faktoren
    Durchführung 2n analytische Versuche)
  • genetische Algorithmus: bioinformatisch berechnete Vorgabe der Mediumsbestandteile durch Kombination evolutionärer Möglichkeiten auf Grundlage bekannter Bedürfnisse von Verwandten
  • Chemostat (Puls- oder Shift-Experimente --> Veränderung des Wachstums beobachten

ATBC

Wie unterscheiden sich generell Katabolismus und Anabolismus?

Katabolismus: 

  • komplexe Stoffe unter Energiegewinnung zu einfacheren Stoffen umgesetzt
  • Polysaccharide unter ATP-Gewinnung abgebaut

Anabolismus

  •  Einsatz von Energie --> aus einfachen Stoffen komplexe Stoffe

Anabolismus = aufbauender Stoffwechsel
Katabolismus = abbauender Stoffwechsel

ATBC

Was zeichnet autotrophe und heterotrophe Mikroorganismen aus?


Autotrophe Organismen

  • Bauen durch die Oxidation anorganischer Moleküle (Chemoautotrophe) bzw. durch Licht (Photoautotrophe) die gesamten Baustoffe für ihren Stoffwechsel aus CO2 und H2O auf
  • nicht auf org. Substanzen angewiesen

heterotrophe

  • organische Moleküle (z.B. Glucose) als Energiequelle 

ATBC

Welche wichtigen Vorgänge finden in der Glycolyse statt? Wie lautet die
chemische Gesamtgleichung? Wieviel ATP und NADH H+ werden netto
gebildet? Bei welchem Molekül endet die Glycolyse und wie kann diese
Verbindung weiter metabolisiert werden?

  • Glucose zu zwei Pyruvat umgesetzt
  • Energie in Form von ATP und Reduktionsäquivalenten (NADH/H+)
  • Startsubstanzen für die Biosynthese gewonnen

C6H12O6 + 2 ADP + Pi + 2 NAD+ →2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 (NADH+H+) + 2 H2O

  • netto 2 ATP gebildet
  • pro C3-Körper zwar 2 ATP (also 2x2 = 4 ATP), bei der initialen Phosphorylierung der Glucose durch die Glucokinase bereits 2 ATP verbraucht --> 2ATP 2 NADH+H+

endet mit dem Molekül Pyruvat, dem Salz der Benztraubensäure

  • entweder zu Acetyl-CoA bzw. Oxalacetat Einschleusen in Citratzyklus
  • anaerob zu Lactat und Ethanol umgesetzt
  • Oxalacetat: Ausgangsverbindung der Gluconeogenese
  • Acetyl-CoA: Fettsäurebiosynthese

ATBC

Welche Moleküle „starten“ den Citratzyklus? Gehört der Citratzyklus zum
Katabolismusoder Anabolismus? Welche und wieviel Reduktionsäquivalente
werden gebildet?

  • Start: Acetyl-CoA und Oxalacetat durch Citrat-Synthase zu Citrat umgesetzt
  • Anabolismus und Katabolismus parallel --> amphibolischen Prozess
  • Umsetzung des C3-Körper des Pyruvats komplett zu CO2 , gleichzeitig Stoffe für die Biosynthese aufgebaut
  • 1 ATP, pro C3-Körper Pyruvat 4 NADH+H+ und 1 FADH2

ATBC

Wie werden Aminosäuren abgebaut?

  • glucogenen Aminosäuren wie Alanin und Glycin zu Vorstufen der Gluconeogenese umgesetzt (Pyruvat, α-Ketoglutarat)
  • (Arg, His und Pro werden zunächst zu Glutamat metabolisiert und danach weiter zu α-Ketoglutarat
  • ketogene Aminosäuren wie Isoleucin oder Leucin (auch Lysin und Typtophan) zu Vorstufen der Ketonkörper-Synthese (Acetyl-CoA) umgewandelt
  • Serin und Threonin werden direkt desaminiert (so wird ausThreonin Acetat)
  • Glutamat oxidativ oder hydrolytisch im Citratzyklus desaminiert

ATBC

Wie können Mikroorganismen sterilisiert bzw. sterile Flüssigkeiten
hergestellt werden? Wie lautet die Abtötungskinetik während der Sterilisation
und wie lassen sich die Sterilisationszeiten berechnen bei Vorgabe einer
verbleibenden Keimzahl?

vier verschiedene Möglichkeiten der Sterilisation

  • Hitze, hierbei wird entweder bei einem Überdruck von 1 bar und einer Temperatur von 121°C für 20 Minuten sterilisiert (im Autoklaven) oder aber bei 180°C bei Normaldruck im Trockenschrank.
  • UV Bestrahlung
  • Membranfiltration, hierbei werden Polysulfon bzw. Polycarbonate eingesetzt die einen Porendurchmesser < 0,2 μm besitzen.
  • Chemische Stoffe, wie Ethylenoxid oder Ethanol.


Kinetik der 1.Ordnung

  • −𝑑𝑁/𝑑𝑡 = 𝑘 𝑁0
  • 𝑁 = 𝑁0𝑒^(−𝑘t) --> 𝑡 =1/𝑘 ln (𝑁/𝑁0)

N: Zellzahl
N0: Anfangszellzahl
t: absolute Zeit der Sterilisation [s]
k: Proportionalitätsfaktor/ Geschwindigkeitskonstante [1/s]

  • Kenntnis von Keimzahl und Geschwindigkeitskonstante, Bestimmung von
    Sterilisationszeit möglich

ATBC

Wie lassen sich Zellzahl und –Masse quantitativ bestimmen? Zeigen Sie die
Unterschiede der einzelnen Methoden auf.

Zellzahl

  • Gesamtzellzahl (stoffwechselaktiven Zellen, abgestorbene Zellen)
    • mikroskopische Zählung in Zählkammern
    • per „cell counter“ durch eine Leitfähigkeitssonde (proportional zum
      Reziproken der Leitfähigkeit)
    • Membranfiltration: Zellen getrocknet, eingefärbt und ausgezählt,

      Konzentrationen kleiner als 106 Zellen pro mL

  • Lebendzellzahl (vermehrungsfähige, lebende Zellen (cfu= colony forming units))
    • Plattenmethode: definiertes Volumen nach Verdünnung auf Agarplatte inkubieren, Kolonien gezählt (jede Kolonie entsprang aus 1 cfu), fehlerbehaftet durch Verdünnung
    • Fluoreszenzmikroskopie: Zellen mit Propidiumiodid (färbt DNA toter Zellen), Flouresceindiacetat (färbt Lebende grün) versetzt


Zellmasse

  • direkten Bestimmung
    • Zellfeuchtmasse bzw. Zelltrockenmasse gewogen
  • Indirekte Methoden
    • quantitative Bestimmung des N-Gehalts nach Kjeldah
    • Trübungsmessung
    • Abgasanalyse
    • Titration

ATBC

Wie unterscheiden sich Modelle zur Beschreibung der Wachstumskinetik von Mikroorganismen? Erläutern sie das Monod-Modell. Für welche Wachstumsphasen gilt dieses Modell? Leiten sie den Zusammenhang zwischen spezifischer Substratverbrauchsrate, max. Wachstumsrate und Ertragskoeffizient her.

  • Unterschiede in zwei verschiedenen Eigenschaften
    • strukturiert, folglich unterscheidbare Komponenten verwendet
    • unstrukturiert, somit nur eine Komponente genutzt
  • segregierten Modellen: heterogene, diskrete Zellen bzw. Subpopulationen
  • unsegregierte Modelle: alle Zelleigenschaften in der Summe als Mittelwert

Modod-Modell

  • unstrukturiertes, unsegregiertes Modell
  • exponentielle Phase, Übergang in die Verzögerungsphase
  • spezifische Substratverbrauchsrate ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der
    Wachstumsgeschwindigkeit und der Biomassenkonzentration

𝑑𝑋/𝑑𝑡= 𝜇 X

𝜇 = 𝜇𝑚𝑎x S/(Ks+S)

μ: spezifische Substratverbrauchsrate [1/h]
μmax: maximale spezifische Substratverbrauchsrate [1/h]
S: Substratkonzentration [g/L]
Ks: Sättigungskonstante des Substrats [g/L]
X: Biomassenkonzentration [g/L]


  • maximale Wachstumsrat bei optimalen Bedingungen in exponentieller Phase erreicht (bei 𝑆 >> 𝐾𝑠 )


  • Ertragskoeffizient beschreibt, wie effektiv Biomasse unter Substratverbrauch
    gebildet wurde

𝑌𝑥/𝑠 = −(𝑑𝑋/𝑑𝑡)/(𝑑𝑆/𝑑𝑡) = −(𝑋−𝑋0)/(𝑆−𝑆0) 

Yx/s: Ertragskoeffizient (dimensionslos)

  • negativen Quotienten: Zuwachs der Zellmasse und dem Verbrauch an Substrat (Substratbilanz ist negativ, deswegen wird ein negatives Vorzeichen
    benötigt, dass der Ertragskoeffizient positiv wird

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