Escherichia coli: Merkmale, Infektionen, Nutzung
Steckbrief, medizinische Bedeutung und pharmazeutische Nutzung des Darmbakteriums Escherichia coli.
Das Wichtigste in Kürze
- Escherichia coli ist ein Darmbakterium, das als Bewohner der Darmflora, als Infektionserreger und als biotechnischer Produktionsorganismus Bedeutung hat.
- E. coli ist ein gramnegatives Stäbchen, erscheint nach Gram-Färbung rot, ist fakultativ anaerob, bildet keine Endosporen und ist peritrich begeißelt.
- Als Teil der physiologischen Darmflora ist E. coli fakultativ pathogen und verursacht opportunistische Infektionen, vor allem Harnwegsinfektionen; ETEC und EHEC bilden Diarrhoe auslösende Toxine.
- Der Nachweis von E. coli im Trinkwasser zeigt als Fäkalindikator eine fäkale Verunreinigung an.
- E. coli produziert rekombinante Proteine wie Humaninsulin: Proinsulin aus Einschlusskörpern wird gefaltet, dann wird das C-Peptid abgespalten.
Worum es geht
Escherichia coli ist das bekannteste Bakterium überhaupt: harmloser Darmbewohner, häufiger Erreger von Harnwegsinfektionen und Arbeitstier der Biotechnologie. Für die Pharmazie zählen sein Steckbrief, seine Rolle als Krankheitserreger und seine Nutzung, etwa zur Herstellung von Humaninsulin.
Merkmale
E. coli ist ein gramnegatives Stäbchen. Seine Zellwand hat nur eine dünne Mureinschicht, darüber liegt eine äußere Membran. Bei der Gram-Färbung wäscht der Alkohol den Kristallviolett-Iod-Komplex wieder aus. Die Zellen nehmen die Gegenfärbung an und erscheinen rot.
Im Sauerstoffbedarf ist E. coli fakultativ anaerob. Mit Sauerstoff atmet es, ohne Sauerstoff schaltet es auf Gärung um. So lebt es im sauerstoffarmen Dickdarm ebenso wie auf einer Agarplatte an der Luft (mehr zum Sauerstoffbedarf).
E. coli bildet keine Endosporen. Bewegliche Stämme sind peritrich begeißelt, die Geißeln sitzen also rundum auf der Zelle. Anders als Vibrio mit seiner einzelnen polaren Geißel ist E. coli damit nicht monotrich (Begeißelungstypen). Kurze Fimbrien dienen zum Anheften an Epithelzellen.
Den Steckbrief solltest du sicher können: gramnegativ (nach Gram-Färbung rot, nicht dunkelblau), Stäbchen, fakultativ anaerob, ohne Endosporen. Achte bei der Begeißelung auf peritrich, nicht monotrich.
Darmflora und Infektionen
Im Dickdarm gehört E. coli zur physiologischen Darmflora des Menschen. Dort richtet es keinen Schaden an. Gelangt es an einen anderen Ort, kann es jedoch Krankheiten auslösen.
Fakultativ pathogen ist ein Keim, der nur unter bestimmten Bedingungen krank macht, etwa am falschen Ort oder bei geschwächter Abwehr. Die so entstehende Erkrankung heißt opportunistische Infektion.
Das wichtigste Beispiel ist die Harnwegsinfektion. Darmkeime steigen über die Harnröhre in die Blase auf, bei Frauen wegen der kurzen Harnröhre besonders leicht. Fimbrien halten die Bakterien am Urothel fest. E. coli zählt deshalb zu den häufigsten bakteriellen Infektionserregern.
Manche Stämme bilden Toxine, die Diarrhoe auslösen. Enterotoxische E. coli (ETEC) verursachen die Reisediarrhoe. Enterohämorrhagische E. coli (EHEC) bilden Shiga-Toxin und lösen blutige Durchfälle aus (bakterielle Toxine).
E. coli stammt praktisch nur aus dem Darm und kommt dort in großer Zahl vor. Deshalb dient es als Fäkalindikator: Sein Nachweis im Trinkwasser zeigt eine fäkale Verunreinigung an. Dann können auch schwer nachweisbare Darmerreger im Wasser sein. Trinkwasser muss daher in 100 mL frei von E. coli sein.
Rekombinante Proteine
E. coli wächst schnell auf billigen Nährmedien und lässt sich leicht genetisch verändern. Das macht es zum Standardorganismus für rekombinante Proteine. Ein fremdes Gen wird meist auf einem Plasmid eingeschleust (gentechnische Methoden), und das Bakterium bildet das Fremdprotein.
Das klassische Beispiel ist Humaninsulin. Das Proinsulin-Gen wird im Plasmid in E. coli eingebracht. Bei der Fermentation lagert sich das Protein in Einschlusskörpern ab. Nach der Isolierung faltet man es so, dass sich die Disulfidbrücken korrekt schließen. Zuletzt spaltet man das C-Peptid ab, übrig bleibt Insulin aus A- und B-Kette.
Glykosylieren kann E. coli nicht. Glykoproteine wie Epoetin stellt man deshalb in Säugerzellen her.
Bakterien im Mutagenitätstest
Auch der Ames-Test nutzt Bakterien als Werkzeug. Er arbeitet mit auxotrophen Stämmen. Auxotroph heißt: Durch eine Mutation kann der Stamm einen Baustein nicht mehr selbst bilden und braucht ihn im Medium. Klassisch sind histidin-auxotrophe Salmonella-Stämme, ergänzt durch tryptophan-auxotrophe E. coli-Stämme. Ein Mutagen löst Rückmutationen aus, und die Kolonien wachsen wieder ohne Zusatz.
Quiz
Aussage 1
Wird E. coli im Trinkwasser nachgewiesen, deutet das auf eine Verunreinigung mit Fäkalien hin.
E. coli stammt praktisch nur aus dem Darm und dient deshalb als Fäkalindikator.
Aussage 2
Bewegliche E. coli-Stämme tragen eine einzelne Geißel an einem Zellpol.
Das beschreibt monotriche Begeißelung wie bei Vibrio. E. coli ist peritrich begeißelt, die Geißeln sitzen rundum auf der Zelle.
Aussage 3
Nach einer Gram-Färbung erscheinen Zellen von E. coli dunkelblau bis violett.
E. coli ist gramnegativ. Der Alkohol entfärbt die dünne Mureinschicht, die Zellen nehmen die Gegenfärbung an und erscheinen rot.
Aussage 4
Bei der Herstellung von Humaninsulin in E. coli wird nach der Faltung des Proinsulins das C-Peptid abgespalten.
Proinsulin wird aus Einschlusskörpern isoliert und gefaltet, sodass sich die Disulfidbrücken schließen. Danach entfernt man das C-Peptid, es bleibt Insulin aus A- und B-Kette.
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