Mikroorganismen und Ihre Relevanz in der Medizintechnik – Teil I
„Mikroorganismen sind in der Natur und auf unserer Erde an jedem Ort anzutreffen. Der Erdboden selbst ist am dichtesten mit Mikroorganismen bewohnt.“ (Professor Rob Dunn, Biologe und Schriftsteller)
Es gibt überall Mikroorganismen. Diese sind unter anderem auf dem Mobile-Telefon, dem Laptop oder dem Tablet, auf dem Sie den Beitrag gerade durchlesen, vorhanden – sogar auf den eigenen Händen. Generell leben auf und in unserem eigenen Körper zwischen zehn und hundert Billionen Mikroorganismen. Das macht uns Menschen zu einem Biotop für andere Lebewesen. Dennoch braucht man sich nicht zu ekeln, denn mit den meisten Mikroorganismen leben wir in Wechselwirkung, in einer Symbiose – sie helfen uns und wir helfen ihnen.
Dieser Beitrag ist Teil einer Beitragsreihe zur Hygiene. Er bereitet die Gegebenheiten in der Medizintechnik auf, mit denen wir einige grundlegende Fakten zu Mikroorganismen nennen und erläutern wollen, denn das Thema Hygiene ist in aller Munde und hat in der Medizinprodukteindustrie einen besonderen und hohen Stellenwert. In diesem Beitrag gehen wir darauf ein, was genau Mikroorganismen sind und stellen eine Art unter den Mikroorganismen vor. Weitere Arten von Mikroorganismen folgen in den nächsten Beiträgen.
Als studentische Assistenz habe ich viel hierzu recherchiert und in der DeviceMaster GmbH ist das Themengebiet in vielen Projekten relevant. Somit möchte ich mit dieser Beitragsreihe mein gesammeltes Wissen weitergeben.
Viel Spaß beim Lesen
Ihr Team von DeviceMaster GmbH
Inhaltsverzeichnis
Die Medizintechnik
Hygiene ist in der Medizintechnik deshalb so wichtig, weil Medizinprodukte verwendet werden, um die unterschiedlichsten Krankheiten zu behandeln und zu diagnostizieren. Es wird unter anderem mit verschiedenen Arten von Mikroorgansimen gearbeitet und die Gefahren, die von diesen Organismen ausgehen, werden aufgedeckt. Gegen diese Gefahren werden dann spezielle Gegenmaßnahmen entwickelt.
Damit keine Mikroorganismen an den Patienten übertragen werden, die zu einer Infektion führen können, geschieht die Fertigung von medizinischen Produkten oft in einer sterilen Umgebung. So dass mit einer hohen Wahrscheinlichkeit alle Mikroorganismen von dem Produkt entfernt bzw. abgetötet wurden. Medizinische Produkte werden z.B. in sogenannten Reinräumen hergestellt oder aufwendig gereinigt. Hier gibt es unterschiedliche Reinraumklassen. bis hin zu sterilen Reinräumen.
Hierzu ist es notwendig zu wissen von welchen Mikroorganismen welche Gefahren ausgehen. So wird die Gefahr durch eine Ansteckung minimiert. Dabei werden die Gegenmaßnahmen genaustens auf ihre Wirksamkeit analysiert. Als eine dieser Maßnahmen sei unteranderem die Dampf-Sterilisation genannt. Hier werden verbliebende Mikroorganismen vermehrungsunfähig gemacht, das bedeutet, dass z.B. Pilze danach „inaktiv“ sind.
Was sind Mikroorganismen?
Die Mikrobiologie beschäftigt sich mit Objekten, die mit dem bloßen Auge für den Menschen nicht sichtbar sind. Ein Mikroorganismus ist also ein mikroskopisch kleines Lebewesen und meistens ein Einzeller. Es gibt auch Mikroorganismen, die nicht zu den Einzellern gehören. Zu diesen sog. „wenigzelligen Lebewesen“ zählen unteranderem Pilze und Algen sowie Hefe.
Generell haben Mikroorganismen eine Größe von etwa 0,3 Mikrometer und sind überall anzutreffen. Sie leben auf alltäglichen Dingen wie dem Mobile-Telefon, dem Küchenmesser oder der Zahnbürste. Um eine genauere Vorstellung darüber zu erhalten wie viele Mikroorganismen uns umgeben, stelle man sich eine Fläche von ein mal ein Meter mit einer Höhe von dreißig Zentimeter vor. In diesem Volumen leben ca. 1,6 Billionen Mikroorganismen. Das sind mehr Mikroorganismen als Menschen, die auf der Erde leben.
Die Vorstellung kann beängstigend wirken nicht sehen zu können welche kleinen Lebewesen den Menschen umgeben. Dennoch sind es genau diese kleinen Mikroorganismen, die für Entstehung der Menschheit mitentscheidend waren. Sie waren die ersten Bewohner unserer Erde.
Grundsätzlich bereitet der Gedanke an diese kleinen Mitbewohner, die eventuell eine Krankheit auslösen können, den meisten Menschen ein beklemmendes Gefühl. Jedoch verursachen nicht alle Mikroorganismen Krankheiten. Natürlich gibt es Mikroorganismen, die eine Gefahr für die Gesundheit darstellen. Aber die meisten Aktivitäten dieser Organismen werden nicht einmal wahrgenommen.
Sie sind zum Beispiel dafür verantwortlich organische Stoffe zu verarbeiten und dienen somit als Grundlage für viele Nahrungsketten. Einige Mikroorganismen sind sogar lebensnotwenig und halten viele Erreger davon ab in unseren Körper zu einzudringen. Sie dienen auch zur Herstellung von Antibiotika.
Ohne diese winzigen Organismen würde es unteranderem nicht mal ein Stück Käse oder ein Bier geben. Denn für die Zubereitung sind Milchsäurebakterien und Hefepilze entscheidend. Ebenso werden Mikroorganismen in Kläranlagen und zur Wasseraufbereitung eingesetzt.
Anders als die Organismen selbst, können Menschen ohne Mikroorganismen nicht auskommen. Sie sind für ein funktionierendes Ökosystem das A und O. Sie bauen zur Energiegewinnung anorganische Stoffe auf und bilden damit den Ausgangspunkt für den Stoffkreislauf der Natur. So setzen zum Beispiel Bakterien und Pilze einige Mineralien frei, die für Pflanzen gut zu verwerten sind. Mikroorgansimen sind für die Stabilität unseres Ökosystems nicht mehr wegzudenken.
Prokayroten und Eukaryoten[1]
In der Welt der Mikroorganismen sind nicht alle Organismen gleich. Das Unterscheidungsmerkmal ist das Vorhandensein eines Zellkerns. Organismen ohne Zellkern nennt man „Prokaryoten“ und Organismen mit Zellkern „Eukaryoten“.
Prokaryoten
Sie gehören zu den ältesten Lebensformen der Welt. Zu Ihnen zählen zum Beispiel Bakterien. Sie besitzen keinen Zellkern, daher liegt ihre DNA in einem ringförmigen Chromosom vor, das die Erbinformationen codiert. Neben diesem Chromosom gibt es die Plasmide. Diese enthalten ebenfalls einen DNA-Strang, liegen aber außerhalb vom Chromosom vor.
Prokaryotische Ribosomen sind makromolekulare Komplexe in Zellen und für die Herstellung von Proteinen verantwortlich. Sie sind leichter und etwas kleiner als die Ribosomen bei Eukaryoten. Nach außen hin bilden die meisten Prokaryoten eine Zellwand, damit eine gewisse Struktur aufgebaut und der Schutz der Prokaryoten gewährleistet ist.
Rund um den Prokaryoten herum befinden sich die Pili (Singular: Pilus). Sie sind die Zellfortsätze und haben ganz unterschiedliche Funktionen. So können sich Prokaryoten durch die Pili an Feststoffe, Nährstoffe und an andere Bakterien anheften.
Prokaryoten besitzen auch ein fadenförmiges Flagellum. Das dient jedoch lediglich zur Fortbewegung. Weiterfolgend besitzen Prokaryoten auch eine Cytoplasma-Membran. Sie sorgt dafür das ein Stoffaustausch zwischen dem äußeren und dem inneren der Zelle stattfinden kann. Die sogenannte Kapsel dient den Prokaryoten dazu, sich zu verhüllen und eine Barriere für Abwehrstoffe zu bilden. Die Kapsel besteht aus einer Schleimartigen Substanz und verhindert, dass die Prokaryoten austrockenen.
Abbildung 1: Prokaryot
Prokaryoten unterscheiden sich aber nicht nur durch den Aufbau von Eukaryoten, sondern auch durch ihre Lebensweise.
Sie vermehren sich durch Zweiteilung, nachdem das ringförmige Chromosom verdoppelt wurde. Eine generative Fortpflanzung gibt es nicht. Durch ihre Stoffwechselvorgänge spielen Prokaryoten eine wichtige Rolle in allen Lebensräumen. Zum Beispiel in den Mägen bei der Verdauung oder im aquatischen Ökosystem. Da sie aus vielen verschiedenen Substanzen ihre Energie ziehen können, unteranderem durch Verdauung anorganischer Stoffe.
Eukaryoten
Lebewesen, die als Eukaryoten bezeichnet werden, besitzen einen Zellkern. Zu Ihnen zählen unteranderem Einzeller, Pflanzen, Pilze, Tiere und schließlich der Mensch. Man kann Eukaryoten auch nach Zelltypen unterteilen. Die wohl wichtigsten Zelltypen sind die Pflanzen- und die Tierzelle. Sie sind deutlich größer als Prokaryoten. Sie haben genau wie Prokaryoten einen DNA-Ring; dieser liegt in diesem Fall allerdings im Zellkern.
Im Zellkern befindet sich auch das Nucleolus, welches ein Kernkörperchen bestehend aus DNA und RNA [2] ist. Die RNA ist ähnlich wie die DNA aufgebaut, jedoch haben beide verschiedene Funktionen. Außerhalb des Zellkerns liegen die Ribosomen und bei pflanzlichen Zellen die Zellwand.
Im Mitochondrium, welches eine Zellorganelle im Eukaryot darstellt, befindet sich die Energiequelle der Zelle. Es gibt bei Eukaryoten auch ein glattes und ein raues endoplasmatisches Retikulum (ER). Das glatte ER dient der Zelle als Speichermedium für Stoffe, das raue ER dient zur Proteinbiosynthese der Zelle. Das endoplasmatische Retikulum kann man sich als eine Art Tunnelsystem mit Hohlräumen vorstellen.
Ein Eukaryot hat zusätzlich noch einen sogenannten Golgi-Apparat. Hier werden die produzierten Proteine weiterverarbeitet. Für die Stabilität der Eukaryoten sorgt das Zytoskelett, welches als eine Art Netzwerk aufgebaut ist und aus Proteinen besteht.
Ein weiterer Bestandteil ist das Lysosom, welches die Form eines kleinen Bläschens hat und Verdauungsenzyme enthält. Das ähnlich aussehende Peroxisom beinhaltet Enzyme für den Stoffwechsel. Ihre wohl wichtigste Funktion ist jedoch die Entgiftung der Zelle.
Abbildung 2: Eukaryot
Eukaryoten pflanzen sich meistens generativ fort und nicht durch Zweiteilung, wie es bei Prokaryoten der Fall ist.
Pilze
Eine Form der Mikroorganismen sind Pilze. Sie gehören zu den Eukaryoten und besitzen somit einen Zellkern. In erster Linie gelten Pilze als Erreger von Pflanzenkrankheiten, da sie kein Chlorophyll erzeugen können. Sie sind nicht in der Lage Photosynthese zu betreiben und können daher keine Energie gewinnen. Deshalb nutzen sie organische Stoffe als Nahrung, die Pilze von den befallenen Organismen erhalten.
Es gibt auch Pilze, die den Menschen befallen. Eine solche Infektion kann meist nur mit Arzneimitteln behandelt werden. Beispiele für einen Pilzbefall beim Menschen sind der häufig auftretende Fußpilz oder der Herpespilz. Viele Pilze, die den Menschen befallen, sind ansteckend und übertragen sich sehr schnell durch Tröpfchen oder Berührung. Von einigen Pilzorganismen können wir allerdings auch profitieren, wie beispielsweise dem Hefepilz.
Pilze können sich am besten vermehren, wenn sie einen festen Boden haben, an den sie sich besser anheften können. Sie benötigen wenig Feuchtigkeit, um zu überleben im Gegensatz zu Bakterien. Das ist u. a. der Grund dafür, dass der Erdboden so zahlreich mit Pilzen bedeckt ist, im Wasser jedoch kaum welche vorzufinden sind.
Gruppierungen der Pilze
Es gibt verschiedene Gruppen, in die Pilze eingeordnet werden. Eine dieser Gruppen nennt sich „Jochpilze“. Diese bilden jochartige Brücken, um sich generativ fortzupflanzen. Ein Beispiel für einen Jochpilz ist der Brotschimmelpilz. Eine weitere Gruppe heißt „Arbuskuläre Mykorrhizapilze“. Zu dieser Gruppierung gehören Pilze, die durch Membranausstülpungen mit mehr als achtzig Prozent unserer Landpflanzen eine Symbiose eingehen.
Ferner gibt es eine Pilzgruppe, die sich „Schlauchpilze“ nennt. In diese Gruppe ordnet man Pilze ein, die Sporen in Form von Schläuchen bilden. Ein Beispiel für einen solchen Pilz sind die Trichoderma Pilze.
Eine weitere Gruppe der Pilzgattungen nennt sich „Basidien Pilze“. Diese bilden ebenfalls große Sporen. Die am häufigsten vorkommenden großen Pilze sind dieser Gruppe angehörig, wie zum Beispiel der Steinpilz.
Aufbau der Pilze
Pilze enthalten Mitochondrien, diese sind für deren Energiegewinnung sowie für den Stoffwechsel zuständig. Sie besitzen außerdem ähnlich wie bei Pflanzen eine Vakuole, deren Innenraum den sogenannten Zellsaft enthält. Dieser besteht vor allem aus Wasser und gelösten Stoffen.
Bei Pilzen ist eine Zellwand vorhanden. Im Zytoplasma des Pilzes befindet sich der für Eukaryoten typische Zellkern. Das Zytoplasma ist der gesamte lebende Inhalt einer Zelle.
Abbildung 6: Pilz
Pilze sind mit einer Größe von 0,1 mm relativ große Mikroorganismen. Das ist einer der Gründe, wodurch sie sich von anderen Mikroorganismen unterscheiden. Ein weiterer Unterschied zu anderen Arten ist die Vielfalt an Formen.
Pilze vermehren sich sowohl generativ als auch vegetativ. Die vegetative Fortpflanzung ist bei Pilzen die häufigere Form der Fortpflanzung, denn hier werden nur kurze Zeitspannen zur Erzeugung zahlreicher Nachkommen benötigt.
Der Fruchtkörper, der bei einigen Pilzen entsteht, ist nicht der eigentliche Pilz. Der Fruchtkörper entsteht erst später und sorgt dafür, dass seine Sporen durch die Luft übertragen werden. Sporen werden nicht nur von Pilzen, sondern auch von Bakterien und Algen erzeugt und haben stets dieselbe Aufgabe: sie sind für die Vermehrung der Mikroorgansimen zuständig. Die Sporen sind dabei das Instrument der generativen Fortpflanzung.
[1] https://studyflix.de/biologie/prokaryoten-und-eukaryoten-im-vergleich-2121
Verfasserin Aylin Richter (Projektassistentin bei DeviceMaster GmbH)
Datum: 22.06.2021
Quellen:
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