Goede bacteriën slechte bacteriën
Onzichtbaar aanwezig.
Nog voordat er planten en dieren op aarde verschenen waren er al microscopische organismen aanwezig. De bacteriën.
In 1676 werden ze voor het eerst ontdekt door Antonie van Leeuwenhoek. Hij rapporteerde dit aan de Royal Society als "kleijne diertgens" die alleen dankzij de door hem geconstrueerde microscoop te zien waren. Hierdoor werd na een korte tijd een nieuw vakgebied geboren. De microbiologie.
Veel onderzoekers hielden zich toentertijd bezig met de vraag over het ontstaan van bacteriën en de wetenschappelijke verklaringen van afbraak, rotting en omzetting van allerlei materiaal. Al snel hierna rond het begin van de negentiende eeuw bloeide een andere tak op;medische microbiologie.
figuur 1 verschillende vormen bacteriën
figuur 2. Huidig onderzoek
Het vakgebied dat zich in het begin alleen bezighield met de ziekteverwerkende eigenschappen van de bacteriën. Pas later, aan het eind van de negentiende eeuw begon er onderzoek te komen naar de algemene biologische eigenschappen van bacteriën. Hoe groeien ze? Wat doen ze met de aangeboden voedingsstoffen? Hoe bouwen ze hun celmateriaal op? Welke verscheidenheid aan bacteriën biedt de natuur.
Het is waarschijnlijk niet overdreven om deze vraag te beantwoorden met: "overal op aarde". Bacteriën worden vrijwel overal aangetroffen. Zelfs op plaatsen waar door extreme omstandigheden haast geen leven mogelijk is. Uit de heetwaterbronnen van het Yellowstone Park zijn bijvoorbeeld bacteriën geïsoleerd die bij temperaturen van om en nabij 100 °C kunnen groeien. Ook in de diepste zeelagen, onder extreem hoge druk, op plaatsen met een hoge zoutconcentratie, in verzuurde of sterk alkalische milieus zijn soorten aangetroffen die daar, onder zulke bijzondere omstandigheden leven.
De meeste bacteriën die in ons dagelijks leven voorkomen als voedselbedervers of als veroorzakers van infectieziekten, kunnen onder zulke omstandigheden niet overleven. Anderzijds kunnen de eerder genoemde bacteriën, die onder extreme omstandigheden groeien, alleen in zulke omstandigheden overleven.
Bacteriën hebben kennelijk een eigen voorkeur voor bepaalde, soms zeer karakteristieke plaatsen in de natuur.
Het was uit de eerste beschrijvingen door Van Leeuwenhoek al duidelijk dat er allerlei bacteriën waren, die van elkaar verschilden in vorm, grootte en beweeglijkheid. Later bleek dat bacteriën ook in hun stofwisseling sterk variëren. De verscheidenheid van bacteriën is bijzonder groot, en we kunnen eigenlijk niet eens zeggen hoe groot. Veel bacteriën die op aarde voorkomen zijn nog niet ontdekt en waarschijnlijk kennen we nog maar een minderheid.
In de praktijk worden bacteriën van elkaar onderscheiden op grond van karakteristieke eigenschappen die ze bezitten. De plek waar ze veel voorkomen is een identificatie. Zo spreken we van darmbacteriën of grondbacteriën bijvoorbeeld. Ook wordt hiernaast ook ingedeeld naar fysiologische eigenschappen. Zo heb je thermofiele bacteriën, stikstofbinders en melkzuurbacteriën. In deze laatste indeling is er sprake van een verzameling van soorten met één opvallende gemeenschappelijke eigenschap. Het kunnen groeien bij hoge temperaturen, het vermogen om stikstof te binden of melkzuur te vormen.
Met een gewone lichtmicroscoop kun je vaststellen dat sommige cellen rond van vorm zijn en dat anderen staafvormig of een gebogen staafvorm hebben.
Na 1930 ontwikkelde men nieuwe preparatietechnieken en de elektronen microscoop. Het beeld van bacteriën is sindsdien veel gedetailleerder geworden. Dankzij de elektronenmicroscoop is bijvoorbeeld duidelijk geworden dat de bacteriecel soms allerlei aanhangsels draagt. Ook de intracellulaire structuren werden hierdoor zichtbaar gemaakt.
figuur 3. Bacteriën zichtbaar gemaakt met elektronen microscopie
De bacteriecel, hoe eenvoudig deze ook lijkt, is een goed georganiseerd geheel van allerlei structuren. In de binnenste van de cel bevindt zich DNA en RNA. Dit zijn de nucleïnezuren die een sturende rol vervullen in het leven en voortleven van de cel. Deze nucleïnezuren komen vrij voor in het cytoplasma en hebben dus geen omgevende kernmembraan. Ribosomen vervullen de een belangrijke rol in bij eiwitsynthese en komen naast de enzymen voor in het cytoplasma van de bacterie cel.
Deze enzymen zijn katalytische eiwitten die belangrijk zijn voor de afbraak van bouwstoffen en de opbouw van celstructuren. In het cytoplasma komen ook nog ionen en chemische stoffen voor die voor de huishouding van de cel noodzakelijk zijn.
Het cytoplasma wordt omgeven door een membraan die bestaat uit fosfolipiden en eiwitten. Deze membraan is uiterst selectief voor opname van stoffen uit de omgeving en uitgifte van stoffen.
Het cytoplasma, met daarin al die enzymen, ionen en andere opgeloste verbindingen, heeft een hoog osmotische waarde. Zou de bacterie geen ander omhulsel hebben dan de membraan, dan zou de cel weinig mogelijkheden hebben om vrij te leven. Als de cel bijvoorbeeld in een omgeving zou komen met een laag osmotische waarde, dan zou er een stroom water de bacterie ingaan waardoor er een te hoge druk ontstaat binnen de cel. Hierdoor zal de membraan scheuren.
Dat lot blijft de bacterie echter bespaart omdat elke bacterie cel omgeven is door een stevig omhulsel, opgebouwd uit lange suikerketens die via kleine eiwitten aan elkaar verbonden zijn. Deze omhullende structuur wordt aangeduid als peptidoglycaan, mucocomplex of mureïne. Dit peptydoglycaan omhult de cel als een soort net en geeft de cel daardoor stevigheid en vorm. Peptydoglycaan is chemisch gezien bijzonder en heel karakteristiek voor bacteriën. Nergens anders in de natuur vindt men die structuur.
Naast deze genoemde elementen kan een bacterie ook 'extra' structuren bezitten. De cel heeft deze structuren niet strikt nodig om te leven, maar geven de cel wel meer mogelijkheden om te overleven.
De zweepstaarten (flagellen) zijn nodig voor de cel om zich te kunnen voortbewegen. Fimbriae of ook wel pili genoemd, zijn korte eiwitdraden die de cel in staat stellen om zich aan een andere cellen of oppervlakten kunnen hechten. Cellen zijn soms omgeven door polysachariden die de cel nog beter afschermen tegen de buitenwereld. Soms fungeert dit kapsel ook als 'plakmiddel'waardoor kapseldragende bacteriën aan bepaalde oppervlakten kunnen hechten.
figuur 4. bacterie met flagellen
Een bijzondere preparatietechniek om het omhulsel van de bacteriecel te visualiseren is de Gramkleuring, ontwikkeld door de microbioloog Gram. Met deze kleuring kun je alle bacteriën in twee hoofdgroepen verdeeld worden. De eerste groep noemt men de Grampositieve bacteriën terwijl de andere groep als Gramnegatief bestempeld.
In de structuur van de omhulsel van de bacterie kun je het verschil terugvinden.
De Gramnegatieve cel heeft buiten de cytoplasmamembraan een hele dunne peptidoglycaanlaag. Deze laag bestaat uit een netwerk van suikers en eiwitten en dient als een bescherming van de bacterie voor factoren buiten de cel. Buiten de dunne laag peptidoglycaan zit echter nog een tweede membraan dat buitenmembraan wordt genoemd maar erg verschilt van de binnenmembraan. De buitenmembraan bevat namelijk bijzondere verbindingen die liposachariden (kortweg LPS) heten. Het buiten membraan draagt mede bij tot een selectieve transport van stoffen en kun je zien als extra barrière ter bescherming van de cel.
De Grampositieve cel heeft vele lagen peptodoglycaan buiten het cytoplasmamembraan en bevat geen extra buitenmembraan.
Goede bacteriën, slechte bacteriën.
Er zijn een tal van bacteriën aanwezig die erg nuttig zijn. In de stikstofkringloop in de natuur zijn bacteriën een erg belangrijke schakel. Door deze eigenschap van stikstof binding worden deze bacteriën in de landbouw gebruikt om gewassen te laten groeien. Afval in het milieu, voornamelijk door de mens geproduceerd, wordt door bacteriën afgebroken. Daarom worden zulke bacteriën gekweekt om dienst te doen in onze afvalwaterzuiveringen. Ook bestaat er een soort bacterie die door sporevorming een bepaald toxine maakt die plantenetende larven van insecten binnenkrijgen en daardoor bestreden worden. Deze bacterie werd ontdekt en gekweekt om de gewassen te beschermen.
Bacteriën gebruiken we ook in onze voedselindustriën. Yoghurt, gatenkaas en gefermenteerde worsten zoals salami zijn enkele voorbeelden.
In de medische wereld worden bacteriën gebruikt om eiwitten te produceren. Penicilline en insuline bijvoorbeeld verkrijgt men door bacteriën genetisch te manipuleren. Een gen wordt in het DNA van de bacterie ingebouwd die vervolgens deze gen tot expressie brengt en de eiwit produceert die wij gebruiken.
figuur 5. lichtmicroscoop
figuur 6. gevolgen van een vleesetende bacterie
Schadelijke bacteriën zijn als bekenden de micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor sommige SOA. Chlamydia en syfilis worden bijvoorbeeld veroorzaakt door bacteriën. Deze bacteriën worden seksueel overgedragen en de ziekte geneest niet vanzelf. In de jaren 30 leidde syfilis tot vele overlijden van mensen die er mee besmet waren.
Door de opkomst van de antibiotica kunnen de ziektes bestreden worden. Helaas zijn deze pathogene (ziekteverwekkende) bacteriën niet uitgeroeid dus veilig vrijen is nog steeds belangrijk om deze bacteriën te vermijden.
Naast virussen worden bepaalde pathogene bacteriën en bacteriële toxinen gebruikt als biologische wapen. Ten tijde van de Golfoorlog in 1991 is er druk gespeculeerd over de aanwezigheid van zulke biologische wapens in Irak.
Bacteriën zijn dus onzichtbaar in eerste opzicht. Soms vriend soms vijand. Maar altijd aanwezig.