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Mikrobiologische Übung FI, Teil 2b - Mikrobiologie und Weinforschung

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<strong>Mikrobiologische</strong> <strong>Übung</strong><br />

<strong>FI</strong>, <strong>Teil</strong> <strong>2b</strong><br />

Identifizierung, Wachstum<br />

<strong>und</strong> Regulation<br />

WS 2013/14<br />

<strong>Mikrobiologie</strong> <strong>und</strong> <strong>Weinforschung</strong><br />

Johannes Gutenberg-Universität<br />

Mainz<br />

1


Hinweise zur <strong>Mikrobiologische</strong>n <strong>Übung</strong> <strong>FI</strong>, <strong>Teil</strong> <strong>2b</strong><br />

1. Inhalt: Einführung in quantitatives Arbeiten in der <strong>Mikrobiologie</strong>.<br />

2. Voraussetzung: Zulassung zum Studium der Biologie, Vordiplom oder<br />

Zwischenprüfung, <strong>Mikrobiologische</strong> Gr<strong>und</strong>vorlesung, <strong>Mikrobiologische</strong> <strong>Übung</strong> <strong>FI</strong>, <strong>Teil</strong> 1<br />

oder Äquivalenzbescheinigung.<br />

3. Zeit: Beginn: 9 00 Uhr<br />

4. Anweisungen der MitarbeiterInnen sind unbedingt Folge zu leisten.<br />

5. Die Versuchsansätze sind eindeutig zu beschriften.<br />

6. Die Protokolle sind am angegebenen Tag abzugeben: Protokolle müssen freitags eine<br />

Woche nach Ende der jeweiligen <strong>FI</strong> <strong>Übung</strong>, <strong>Teil</strong> 2 abgegeben werden. Nach einer weiteren<br />

Woche können die Protokolle zur Überarbeitung abgeholt werden. Vier Wochen nach Ende<br />

der F I <strong>Übung</strong> muß die endgültige Version abgegeben sein. Jeder Student erstellt ein Protokoll<br />

zu Versuch 5 (Wachstum) oder Versuch 6 (Induktion der ß-Galaktosidase), sodaß pro<br />

Zweiergruppe zu beiden Versuchen ein Protokoll vorliegt. Die Einteilung wird von den<br />

Betreuern vorgenommen. Auf dem Protokoll Gruppennummer, Parallele, <strong>und</strong> Gruppenpartner<br />

angeben <strong>und</strong> vermerken, wer das Protokoll verfasst hat!<br />

Zu Versuch 7 wird von jedem Studenten ein Kurzprotokoll erstellt (siehe Versuchsvorschrift),<br />

das von den Betreuern abgezeichnet wird.<br />

7. Das Protokoll (Erstabgabe) wird bewertet (0 bis max. 4 Punkte). Für den Schein sind 50 %<br />

der max. Punktzahl aus Klausur <strong>und</strong> Protokoll erforderlich (Summe beider Punkte !).<br />

8. Jede(r) <strong>Übung</strong>steilnehmerIn hat den Arbeitsplatz sauber zu hinterlassen.<br />

Entsprechend den Anweisungen der/des <strong>Übung</strong>sleiterIn (oder VertreterIn) sind<br />

Versuchsansätze zu versorgen <strong>und</strong> zu entsorgen.<br />

9. Das Fernbleiben von der <strong>Übung</strong> ist möglichst früh im Sekretariat (Tel.: 39-22662) oder<br />

dem/der <strong>Übung</strong>sleiter/in mitzuteilen. Ein Attest ist vorzulegen. Fehlzeiten von mehr als 1<br />

Tag im <strong>Teil</strong> 2a/b müssen nachgeholt werden. Mehr als einmaliges Fernbleiben von den<br />

<strong>Übung</strong>en ohne glaubhafte Entschuldigung schließt die <strong>Teil</strong>nahme am Abschlußtest aus.<br />

10. Am Ende der <strong>Übung</strong> erfolgt ein schriftlicher Abschlußtest. Der <strong>Übung</strong>sschein wird<br />

ausgegeben, wenn aus Versuchsdurchführung, Protokollen, Kolloquien <strong>und</strong> dem<br />

Abschlußtest hervorgeht, daß die Leistungen ausreichen. Bei nicht ausreichenden<br />

Leistungen kann der Abschlußtest wiederholt werden. Wird dieser Nachtest schuldhaft<br />

versäumt, gilt die <strong>Übung</strong> als nicht bestanden.<br />

11. Über die Gefahrenstoffverordnung <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen wurde ich - soweit es<br />

die <strong>Übung</strong> betrifft - informiert.<br />

12. Bezüglich der Gefahrenstoffverordnung gelten Studentinnen als Arbeitnehmerinnen.<br />

Somit stehen besonders werdende <strong>und</strong> stillende Mütter unter dem Schutz des § 26 der<br />

Gefahrenstoffverordnung. Deswegen sollen Schwangere oder junge Mütter sich zu<br />

Beginn der <strong>Übung</strong> mit dem/der <strong>Übung</strong>sleiterIn in Verbindung setzen.<br />

Hiermit bestätige ich von den Hinweisen zur mikrobiologischen <strong>Übung</strong>, insbesondere der<br />

Punkte 9, 10 <strong>und</strong> 11, Kenntnis genommen <strong>und</strong> eine Kopie der <strong>Übung</strong>sanleitung erhalten zu<br />

haben.<br />

Mainz, den: Unterschrift: <strong>Übung</strong>steilnehmer/In:________________<br />

2


Sicherheitstechnische Richtlinien<br />

1. Mäntel, Taschen usw. sind im Spind abzulegen.<br />

2. Mitzubringen sind ein Edding 3000 schwarz, Baumwollkittel,<br />

Feuerzeug <strong>und</strong> ein Vorhängeschloß.<br />

3. Essen, Trinken, Rauchen ist am Arbeitsplatz nicht erlaubt. Das<br />

Mitbringen von Nahrungsmitteln in die Arbeitsräume ist nicht<br />

zugelassen.<br />

4. Das Tragen eines hochgeschlossenen Baumwollkittels mit<br />

langen Ärmeln ist unbedingt erforderlich.<br />

5. Lange Haare müssen hochgeb<strong>und</strong>en werden (Haare dürfen<br />

nicht nach vorne fallen können).<br />

6. Das Tragen von offenen Schuhen ist unzulässig. Das Tragen<br />

von OP-Schuhen <strong>und</strong> ähnlichen ohne Riemen ist nicht<br />

zugelassen.<br />

7. Das Pipettieren mit dem M<strong>und</strong> ist nicht zugelassen.<br />

8. Das Tragen von Kontaktlinsen ist mit dem Augenarzt<br />

abzusprechen.<br />

9. Sollte bei einer <strong>Übung</strong>steilnehmerin eine Schwangerschaft<br />

vorliegen, muß dies dem / der <strong>Übung</strong>sleiterIn unbedingt zu<br />

Beginn mitgeteilt werden.<br />

10. Generell müssen alle Mikroorganismen nach Ende des<br />

Versuches abgetötet werden.<br />

11. Alle Substanzen müssen entsprechend ihrer<br />

Zusammensetzung entsorgt werden (Absprache mit den<br />

MitarbeiternInnen).<br />

12. Im Einzelfalle informiert der/die <strong>Übung</strong>sleiterIn am <strong>Übung</strong>stag<br />

über sicherheitstechnische Maßnahmen.<br />

13. Nach Beendigung der Arbeiten sind die Hände zu waschen.<br />

3


<strong>FI</strong>, <strong>Teil</strong> <strong>2b</strong>: Identifizierung, Wachstum <strong>und</strong> Regulation<br />

Stoff zur Vorbereitung <strong>und</strong> für die Abschlußklausur<br />

• Skript<br />

• Vorlesung zum <strong>FI</strong><br />

• Fuchs, Allgemeine <strong>Mikrobiologie</strong> (Thieme, 8. Auflage, 2007)<br />

S. 169-176; 202-219; 223-226; 500-506; 150-151<br />

oder: entsprechende Kap. Aus ‚Brock, Biology of Microorgansims’<br />

• Lehrbücher der Chemie:<br />

Puffergleichung, Molarität, Konzentration; Lambert-Beersches Gesetz,<br />

Extinlktioskoeffizient<br />

2. Woche: Versuch 5 Wachstum von Escherichia coli mit Glucose oder Acetat<br />

Versuch 6 Induktion der -Galactosidase von Escherichia coli<br />

Versuch 7 Antibiotika<br />

Lösungen <strong>und</strong> Medien für Versuche Nr. 5 bis 7<br />

Die Lösungen <strong>und</strong> Medien sind vor Beginn der Versuche Nr. 5 bis 8 anzusetzen. Die<br />

Mengen sind für 11 Gruppen berechnet. Wenn nicht anders angegeben, Lösungen<br />

<strong>und</strong> Medien durch Autoklavieren sterilisieren. Die genauen Angaben zur<br />

Zusammensetzung der Lösungen <strong>und</strong> Medien sind bei den einzelnen Versuchen zu<br />

finden!<br />

Bei Versuchen 5 + 6 alle Lösungen auf 11 Gefäße (10 Gruppen + 1 mReserve)!!<br />

1) Lösungen <strong>und</strong> Medien<br />

Versuch 5 (Wachstum)<br />

11 x 5 ml 0.1 M Na-Acetat<br />

11 x 100 ml H 2 O<br />

11 x 5 ml 10 % AHC<br />

11 x 5 ml 10 mM CaCl 2<br />

11 x 5 ml 1 M MgSO 4<br />

11 x 5 ml 0.1 M Glucose<br />

11 x 25 ml 10 x M9-Salzlösung<br />

Versuche 5 + 6<br />

Versuch 6 (Induktion)<br />

11 x 250 ml H 2 O<br />

11 x 5 ml 0.1 M Lactose (sterilfiltrieren!)<br />

11 x 25 ml Reaktionspuffer -Gal, pH 7,0<br />

(nicht autoklavieren; bei 4°C lagern)<br />

11 x 2,5 ml 0.1 % SDS (unsteril), aus 10 % Stammlösung ansetzen<br />

11 x 25 ml 1 M Na 2 CO 3 (unsteril)<br />

4


Versuch 7 (Antibiotika)<br />

11 x 2 Platten mit dicker LB-Agarschicht à 40 ml (Lochtest)<br />

88 x 12 ml Standard I-Agar in Röhrchen (für 8 x 4 Gradientenplatten)<br />

11 x 2 große Platte Standard I-Agar (1.5%) (25 ml) (Chromatographie)<br />

22 x 25 ml Standard I mit 0.7% Agar in großen Reagenzgläsern<br />

(Chromatographie)<br />

12 x 2 ml 3 % NH 4 Cl in Reagenzgläsern<br />

11 x 10 ml H 2 O in Reagenzgläsern<br />

11 x 2 ml H 2 O in Reagenzgläsern<br />

B) Gefäße (für 8 Gruppen, sterilisieren)<br />

Versuch 5 (Wachstum)<br />

22 x Erlenmeyerkolben mit Alufolie abgedeckt, 100 ml<br />

14 x Meßzylinder 50 ml<br />

sterile Glaspipetten gemischt (1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml): alle vorhandenen Glaspipetten<br />

in Blechdosen sterilisieren<br />

Versuch 6 (Induktion)<br />

15 x Meßzylinder (100 ml)<br />

55 x Reagenzgläser<br />

Glaspipetten<br />

Versuch 7 (Antibiotika)<br />

55 x Reagenzgläser<br />

Glaspipetten<br />

80 x Chromatographiestreifen (Schnittmuster beim Assistenten erfragen)<br />

Stichworte zur Vorbereitung der Versuche 5 bis 7 (Theorie)<br />

Allgemeines<br />

- Berechnung Molaritäten, Konzentration, etc.<br />

- Puffergleichung<br />

- Lambert-Beersches Gesetz<br />

- Extinktionskoeffizient<br />

5. Wachstum von Escherichia coli mit Glucose oder Acetat<br />

- Wachstumsgleichung<br />

- Bestimmung , t d<br />

- Zellertrag Y Glucose<br />

5


- OD-Messung<br />

- Stoffwechsel Acetat <strong>und</strong> Glucose<br />

- Glyoxylatzyklus<br />

- Anaplerotische Reaktionen<br />

- PEP-Carboxylase<br />

- PEP-Carboxykinase<br />

6. Induktion der -Galactosidase<br />

- ’ONPG’-Test (Reaktion, Testbedingungen)<br />

- lac Operon<br />

- Lactosestoffwechsel<br />

- Diauxie<br />

- Glucoserepression bei E. coli<br />

- cyclo AMP, CPR (CAP) Protein<br />

- -Galactosidase<br />

- Lac-Repressor<br />

- Glucose-Phosphotransferasesystem<br />

7. Antibiotika<br />

- Wichtige Antibiotikagruppen<br />

- -Lactamantibiotika<br />

- Resistenzmechanismen<br />

- Angriffspunkte Antibiotika<br />

6


5. Wachstum von Escherichia coli mit Glucose oder Acetat<br />

Bitte zur Vorbereitung Fragen S. 14 beantworten<br />

In dem Experiment wird das aerobe Wachstum von E. coli mit Glucose oder Acetat<br />

als Substrat untersucht. Das Wachstum erfolgt in statischer Kultur (Batchkultur) <strong>und</strong><br />

wird anhand der optischen Dichte verfolgt. Aus den beiden Wachstumskurven sollen<br />

verschiedene Wachstumsparameter berechnet werden (Wachstumsrate µ,<br />

Verdopplungszeit t d , Zellertrag Y Glc ), die es ermöglichen das Wachstum auf jedem<br />

der beiden Substrate zu bewerten <strong>und</strong> miteinander zu vergleichen.<br />

Angewandte Methoden:<br />

1. Trübungsmessung <strong>und</strong> Bestimmung der optischen Dichte (OD):<br />

Anhand von Trübungsmessungen im Photometer kann das Wachstum einer<br />

Bakterienkultur verfolgt werden. Hierzu wird jeweils 1 ml der wachsenden Kultur<br />

entnommen <strong>und</strong> in eine Küvette überführt. Im Photometer wird ein Lichtstrahl durch<br />

die Bakterienkultur geschickt, dessen Restintensität nach Durchstrahlen der Kultur<br />

vom Gerät gemessen wird.<br />

Bakterienzellen unterscheiden sich deutlich in ihrem Brechungsindex von dem<br />

umgebenden wässrigen Medium. Wegen der resultierenden Lichtstreuung sieht eine<br />

Bakterienkultur trüb aus. Bis zu einer bestimmten Zelldichte (OD 578 0,5), bei der<br />

sich die Bakterienzellen gegenseitig zu beschatten beginnen, ist die Trübung<br />

proportional der Zellzahl. Die Trübung kann im Photometer wie eine Absorption<br />

gemessen werden. Häufig wird die OD bei 578 nm, 600 nm oder 650 nm gemessen,<br />

weil die meisten Bakterien bei diesen Wellenlängen keine Lichtabsorption besitzen.<br />

Die OD wird gegen Luft als Referenz gemessen. Von diesem Wert wird die OD von<br />

unbewachsenem Medium (=Blindwert) abgezogen.<br />

2. Glucosebestimmung:<br />

Die Bestimmung des Substratverbrauchs während des Wachstums stellt ein<br />

wichtiges Instrument zur Charakterisierung des bakteriellen Stoffwechsels dar. In<br />

diesem Versuch soll der Glucoseverbrauch von E. coli während des aeroben<br />

Wachstums mit Glucose bestimmt werden. Hierzu dient ein enzymatischer Test. Um<br />

den Glucoseverbrauch zu bestimmen, werden zu Anfang der Zucht (t 0 ) <strong>und</strong> am Ende,<br />

wenn die Bakterien in der stationären Phase sind, Proben von 0,5 ml Kultur<br />

entnommen <strong>und</strong> abzentrifugiert. Der Überstand kann in den enzymatischen Test<br />

eingesetzt werden <strong>und</strong> der Glucoseverbrauch kann bestimmt werden. Zusammen mit<br />

den berechneten Parametern aus der Wachstumskurve kann der Zellertrag Y Glc<br />

berechnet werden. Dieser gibt Auskunft darüber wie viel g Zellmasse pro Mol<br />

verbrauchtem Substrat gebildet werden können.<br />

7


Versuchsablauf:<br />

Vor Beginn: Einteilen der Photometer!<br />

1. Ansetzen von M9 Medium (sterile Glaspipetten):<br />

jede Gruppe setzt 50 ml M9 Medium an<br />

Rezept für 1 Liter angegeben, zuerst umrechnen auf 50 ml<br />

alle Reagenzien wurden bereits am Montag angesetzt <strong>und</strong> autoklaviert<br />

2. Ansetzen der Zuchten E. coli mit Glucose oder Acetat:<br />

Es werden in sterilen Erlenmeyerkolben je eine Zucht mit M9-Medium plus<br />

Glucose <strong>und</strong> eine Zucht mit M9-Medium plus Acetat angesetzt. Das<br />

Gesamtvolumen jeder Kultur soll 15 ml betragen. Die Endkonzentration an<br />

Glucose bzw. Acetat soll 3 mM sein. Somit muss berechnet werden, wieviel<br />

der jeweiligen Stammlösung (= 0,1 M) im Gesamtvolumen enthalten sein<br />

muss, um auf die erforderlich Endkonzentration zu kommen.<br />

Nach Zugabe von M9-Medium <strong>und</strong> der C-Quelle (Glucose oder Acetat) wird<br />

der Kolben mit 1 ml Inokulum beimpft. Hierzu werden Vorkulturen (VK) von E.<br />

coli ausgegeben, die über Nacht entweder mit Glucose oder Acetat gezüchtet<br />

wurden. Jeweils die entsprechende VK wird für die Kultur verwendet.<br />

Kulturansätze:<br />

M9-Medium:<br />

Glucose oder Acetat:<br />

Inokulum<br />

gesamt<br />

x ml<br />

x ml (Endkonz. 3 mM)<br />

1 ml<br />

15 ml<br />

3. Beginn der Wachstumskurve:<br />

Unmittelbar nach Ansetzen der Kulturen werden die Proben für die<br />

Wachstumskurve (immer mit sterilen Glaspipetten arbeiten) entnommen.<br />

Wichtig: vor Entnahme Kulturen schwenken, um Inhalt gleichmäßig zu<br />

verteilen.<br />

Von der Glucosezucht werden 1,5 ml steril entnommen. 1 ml davon ist zur<br />

Bestimmung der OD, 0,5 ml davon werden direkt in einem Eppendorf-Cup<br />

abzentrifugiert <strong>und</strong> der Überstand in ein neues Eppendorf-Cup dekantiert. Der<br />

Überstand wird bis zur Glucosebestimmung eingefroren. Von der Acetatzucht<br />

wird nur 1 ml zur Bestimmung der OD entnommen.<br />

Die Kulturen werden bis zur nächsten Messung bei 37°C unter Schütteln im<br />

Wasserbad inkubiert.<br />

8


4. Messen der Proben:<br />

Für die Wachstumskurve wird von der Glucosezucht alle 30 Minuten 1 ml<br />

Probe entnommen (steril, Glaspipette) <strong>und</strong> von der Acetatzucht alle 60<br />

Minuten.<br />

Die OD wird sowohl ohne Verdünnung der Kultur <strong>und</strong> bei einer OD 0,5 nach<br />

geeigneter Verdünnung mit Medium ( OD in der Küvette muss < 0,5 sein!)<br />

bestimmt. In die Wertetabellen sollen die unverdünnten <strong>und</strong> gegebenenfalls auch<br />

die verdünnten Werte samt Verdünnungsfaktor eingetragen werden.<br />

Im Anschluss an das Ansetzen der Zuchten ist jeweils ein Praktikant pro Gruppe<br />

verantwortlich für die Wachstumskurve, der andere für die Glucosebestimmung (s.<br />

Seite 11).<br />

Material zur Zellzucht:<br />

Stamm:<br />

Vorkulturen:<br />

Zuchtmedium:<br />

E. coli AN387 („Wildtyp“, K-12 Derivat)<br />

Von E. coli AN387 werden frische Vorkulturen (VK)<br />

ausgegeben, die mit Glucose oder Acetat über Nacht<br />

gezüchtet wurden.<br />

M9-Medium<br />

Pro Gruppe werden 50 ml M9 Medium steril in einem<br />

Messzylinder angesetzt.<br />

- 100 ml/l M9 10 x –Salzlösung: Na 2 HPO 4 60 g/l<br />

KH 2 PO 4 30 g/l<br />

NH 4 Cl 10 g/l<br />

NaCl 5 g/l<br />

- 10 ml/l CaCl 2 (10 mM)<br />

- 1 ml/l MgSO 4 (1 M)<br />

- 10 ml/l Säurehydrolysiertes Casein (=AHC, 10%)<br />

nach Zusatz aller Lösungen im Messzylinder auf 50 ml mit sterilem H 2 O auffüllen<br />

<strong>und</strong> mischen (schwenken)<br />

C-Quelle: D-Glucose (0,1 M)<br />

Na-Acetat pH 7 (0,1 M)<br />

9


Wachstum mit Glucose<br />

Blindwert (nur M9-Medium): OD 578 :<br />

0<br />

min<br />

30<br />

min<br />

60<br />

min<br />

90<br />

min<br />

120<br />

min<br />

150<br />

min<br />

180<br />

min<br />

210<br />

min<br />

240<br />

min<br />

OD 578 unverdünnt<br />

minus BW<br />

OD 578 verdünnt<br />

minus BW<br />

Verdünnungsfaktor<br />

OD 578 Endwert<br />

Wachstum mit Acetat<br />

OD 578 unverdünnt<br />

minus BW<br />

OD 578 verdünnt<br />

minus BW<br />

Verdünnungsfaktor<br />

0 min 60 min 120 min 180 min 240 min<br />

OD 578 Endwert<br />

10


5. Glucosebestimmung mit Glucoseoxidase (GOD) <strong>und</strong> Peroxidase (POD)<br />

(Bergmeyer, Methoden der enzymatischen Analyse)<br />

jeweils 1 Praktikant aus jeder Gruppe verantwortlich<br />

Lösungen:<br />

NaP i -Puffer<br />

700 mg Na 2 HPO 4 x 2 H 2 O<br />

360 mg NaH 2 PO 4 x H 2 O<br />

auf 50 ml auffüllen (davon 500 µl für GOD abzweigen)<br />

Glucoseoxidase (GOD)<br />

Menge reicht für 50 Tests, haltbar bei 4°C<br />

400 Units GOD (aus Schimmelpilz, Grad II) in 500 µl NaP i -Puffer<br />

lösen (Lösung 2-3 Tage stabil bei 4°C)<br />

Glucosereagenz<br />

50 ml NaP i -Puffer<br />

200 Units POD (aus Meerettich, Grad II)<br />

25 mg ABTS, Diammoniumsalz<br />

5 Tropfen Chloroform<br />

Glucosestandard 500 µM Glucose x H 2 O in 500 ml Messkolben ansetzen<br />

die benötigte Glucosemenge muss über das Molekulargewicht<br />

(s. Verpackung) berechnet werden<br />

Testprinzip:<br />

In diesem enzymatischen Test wird die Glucosekonzentration photometrisch<br />

bestimmt. Dabei wird Glucose durch die Glucoseoxidase oxidiert. Das hierbei<br />

gebildete H 2 O 2 oxidiert in der Folgereaktion ABTS. Das oxidierte ABTS ist gefärbt<br />

<strong>und</strong> absorbiert im Photometer bei 436 nm. Da pro Mol Glucose auch 1 Mol ABTS<br />

oxidiert <strong>und</strong> somit bestimmbar wird, ist die gemessen Absorption proportional zum<br />

Glucosegehalt der Lösung.<br />

GOD<br />

Glucose + O 2 + H 2 O Gluconat + H 2 O 2<br />

POD<br />

H 2 O 2 + ABTS red ABTS ox + 2 H 2 O<br />

GOD:<br />

POD:<br />

ABTS:<br />

Glucoseoxidase<br />

Peroxidase<br />

2,2’-Azino-di-3-ethylbenzthiazolinsulfonat<br />

11


Praktische Durchführung:<br />

Die Glucosebestimmung wird in Eppendorf-Cups durchgeführt.<br />

Pipettierschema:<br />

Start der Reaktion:<br />

1 ml Glucosereagenz<br />

50 µl Probe*<br />

10 µl GOD<br />

mischen <strong>und</strong> im Wasserbad bei 37°C 30 Minuten inkubieren.<br />

Die Ansätze werden anschließend direkt im Photometer bei 436 nm gegen Luft<br />

immer in derselben Küvette gemessen.<br />

*Probe: entweder 50 µl t 0 oder t end<br />

Glucosestandard-Verdünnung.<br />

der Glucosezucht oder 50 µl einer<br />

Eichgerade:<br />

Zuerst wird eine Eichgerade erstellt mit bekannten Glucosekonzentrationen von<br />

0-500 µM. Diese Eichgerade dient dazu zu zeigen, dass in diesem Bereich die<br />

Glucosekonzentration proportional zu der gemessenen Extinktion bei 436 nm ist.<br />

Mit dem hergestellten Glucosestandard (s. Lösungen S. 11) wird eine<br />

Glucoseverdünnungsreihe erstellt, die anschließend als Probe in den Test eingesetzt<br />

wird (Doppelbestimmung).<br />

Glucosekonzentration 0 µM 100 µM 200 µM 300 µM 400 µM 500µM<br />

µl Glucosestandard<br />

(500 µM)<br />

µl H 2 O<br />

Es wird jeweils 1 ml der entsprechenden Verdünnung (0-500 µM Glucose) angesetzt.<br />

Die Messwerte werden in die Tabelle auf Seite 13 eingetragen.<br />

Aus den erhaltenen Werten werden für alle Konzentrationen Mittelwerte gebildet <strong>und</strong><br />

der Blindwert (= 0 µM Glucose) abgezogen. Die Eichgerade soll im Anschluss auf<br />

Millimeterpapier gezeichnet werden.<br />

12


Eichgerade Glucosebestimmung<br />

Gluc.<br />

Konzentration<br />

der<br />

Eichlösung<br />

E 436 (1)<br />

0 µM<br />

(=BW)<br />

100 µM 200 µM 300 µM 400 µM 500 µM<br />

E 436 (2)<br />

Mittelwert<br />

Mittelwert<br />

minus BW<br />

Nach Fertigstellen der Eichgeraden werden die Proben der Glucosezucht gemessen.<br />

Die zentrifugierten Kulturüberstände werden aufgetaut, homogenisiert <strong>und</strong> bis zur<br />

Verwendung auf Eis gehalten. Für diese Proben muss ein geeigneter<br />

Verdünnungsfaktor überlegt werden. Die zuvor erstellte Eichgerade zeigt, über<br />

welchen Bereich die Glucosekonzentration im Test proportional zur gemessenen<br />

Extinktion ist. Ist die Konzentration zu hoch, kann keine Aussage mehr über den<br />

Glucosegehalt gemacht werden. Die Glucosekonzentration muss also vor<br />

Durchführung des Tests abgeschätzt werden <strong>und</strong> die Probe entsprechend verdünnt<br />

werden. Die Verdünnungen werden mit H 2 0 hergestellt. Zur Kontrolle wird die<br />

Konzentration einer unbekannten Probe bestimmt, welche zuvor 1:10 <strong>und</strong> 1:20<br />

verdünnt wird. Alle Proben werden jeweils in Doppelbestimmung gemessen.<br />

Bestimmung des Glucosegehalts<br />

Anfang der Zucht Ende der Zucht Unbekannt Proben<br />

Verdünnung unverdünnt unverdünnt 1:10 1:20<br />

E 436 (1)<br />

E 436 (2)<br />

Mittelwert<br />

minus BW<br />

Glucosegehalt<br />

Bei Berechnung des Glucosegehalts muss der Verdünnungsfaktor berücksichtigt<br />

werden.<br />

13


Fragen (Zur Vorbereitung VOR dem Versuch als Hausaufgabe bearbeiten!) :<br />

Bitte lesen Sie das Skript zum Versuch aufmerksam durch <strong>und</strong> versuchen Sie dann,<br />

folgende Fragen zu beantworten (Evtl. Lehrbücher zu Rate ziehen).<br />

1) Zum Wachstum :<br />

Welche Stoffwechselwege spielen beim Wachstum mit Glucose eine wichtige<br />

Rolle für die Energiekonservierung von E.coli?<br />

Braucht E.coli beim Wachstum mit Acetat noch zusätzliche Stoffwechselwege?<br />

Wenn ja, welche? Wofür?<br />

Was würden Sie erwarten, mit welchem der beiden Substrate E. coli die höhere<br />

Wachstumsrate µ hat? Warum ?<br />

2) Zur Glucosebestimmung :<br />

Wie hoch ist die Glucosekonzentration der Batch-Kultur zum Startzeitpunkt (in<br />

mM)?<br />

Wie hoch ist die maximale Glucosekonzentration einer unbekannten Lösung, die<br />

wir mit unserer Eichgerade messen können (in mM)?<br />

Was ist also ein sinnvoller Verdünnungsfaktor für die Messung der<br />

Glucosekonzentration am Startzeitpunkt der Kultur?<br />

Warum soll man die Glucosekonzentration am Anfang <strong>und</strong> am Ende messen? Für<br />

welche Berechnungen benötigt man den Glucoseverbrauch? Siehe Auswertung!<br />

Protokoll:<br />

Einleitung (1 – 2 Seiten)<br />

- Stoffwechselwege unter beiden Bedingungen (Wachstum auf Glucose <strong>und</strong><br />

Acetat, welche Stoffwechselwege werden benötigt?)<br />

- Was machen wir in dem Versuch (Batchkulturen von E.coli mit Glucose bzw.<br />

Acetat, Messung der optischen Dichte, Erklärung der Wachstumsparameter µ, t d<br />

<strong>und</strong> Y, was ist bezüglich der Parameter als Ergebnis zu erwarten, wenn man die<br />

beiden Zuchten vergleicht)?<br />

- Beschattungseffekt der Zellen<br />

Material <strong>und</strong> Methoden siehe Skript<br />

Ergebnisse<br />

- Tabellen für die Wachstumskurven (Glucose <strong>und</strong> Acetat getrennt) mit Blindwert,<br />

Zeit, unverdünnten <strong>und</strong> verdünnten Messergebnissen, Verdünnungsfaktor <strong>und</strong><br />

den berechneten Endwerten<br />

- Wachstumskurve für Glucose jeweils verdünnt/unverdünnt in ein lineares<br />

Diagramm auftragen (beide Kurven in ein Diagramm)<br />

- Wachstumskurve für Glucose jeweils verdünnt/unverdünnt in ein<br />

halblogarithmisches Diagramm<br />

14


- Berechnung von µ <strong>und</strong> t d für Glucose<br />

µ = ln xt – ln xt0 / t-t 0<br />

t d = ln 2/ µ<br />

- Wachstumskurve für Acetat jeweils verdünnt/unverdünnt in ein lineares Diagramm<br />

auftragen<br />

- Wachstumskurve für Acetat jeweils verdünnt/unverdünnt in ein<br />

halblogarithmisches Diagramm<br />

- Berechnung von µ <strong>und</strong> t d für Acetat<br />

- Wertetabelle für Glucose-Eichgerade<br />

- Grafik: Eichgerade der Glucosebestimmung mit Geradengleichung <strong>und</strong> R 2 -Wert<br />

- Tabelle: Berechnung von Epsilon ABTS ox über Lambert-Beer’sches Gesetz mit allen<br />

5 Konz. der Eichgerade (Verdünnung der Glucose in der Küvette<br />

berücksichtigen), Durchschnittswert angeben.<br />

- Wertetabelle mit E 436 -Messwerten <strong>und</strong> berechneten Glucosekonzentrationen<br />

(mM):<br />

-Standard 500 µM (für die Berechnung der anderen Konzentrationen verwenden)<br />

-t 0 unverdünnt <strong>und</strong> 1:10 (Welcher berechnete Wert ist realistischer <strong>und</strong> warum?)<br />

-t end<br />

-unbek. Probe 1:10 <strong>und</strong> 1:20 (Welcher Wert ist realistischer <strong>und</strong> warum?)<br />

Rechenbeispiel für Glucosekonzentration angeben<br />

- Berechnung von Y Glucose anhand OD 578 – Zunahme <strong>und</strong> Glucoseverbrauch<br />

- Abschätzung von Y Acetat , d.h. Berechnung unter der Annahme, dass Acetat (3<br />

mM) vollständig verbraucht wird.<br />

Wieviel Zellmasse wird pro Mol Glucose gebildet? Zur Umrechnung von OD 578 in<br />

Zellmasse verwenden Sie den Wert von 300 mg Trockengewicht / L<br />

Kulturvolumen bei OD 578 = 1.<br />

Berechnen Sie die molaren Ertragskoeffizienten Y Glc (Y Glc = g Trockenzellen/ mol<br />

Glucose).<br />

Diskussion (1/2 bis 2 Seiten)<br />

Ergebnisse besprechen:<br />

- Vergleich von allen Wachstumskurven <strong>und</strong> Parametern.<br />

- Entsprechen die Ergebnisse den Erwartungen aus der Einleitung <strong>und</strong> Theorie ?<br />

Erklärung! Wenn nein, was könnte der Gr<strong>und</strong> dafür sein?<br />

15


6. Induktion der -Galactosidase von Escherichia coli<br />

Das Dissacharid Lactose kann erst nach Spaltung in die Hexoseabbauwege<br />

eingeschleust <strong>und</strong> umgesetzt werden:<br />

Lactose + H 2 O<br />

-Galactosidase<br />

D-Glucose + D-Galactose<br />

Das Lactose-(lac)-Operon von E. coli trägt die Information zur Synthese der Enzyme<br />

des Lactosestoffwechsels. Es umfasst den lac-Promotor, den lac-Operator <strong>und</strong> die<br />

Strukturgene für die -Galactosidase (lacZ), die Lactosepermease (lacY) <strong>und</strong> die<br />

Transacetylase (lacA). Die Expression der Strukturgene wird sehr genau reguliert. In<br />

Lactose-freiem Nährmedium bilden die Bakterien nur sehr wenige Moleküle der<br />

Lactose-verwertenden Enzyme. In einem Nährmedium, das Lactose als einzige<br />

Energiequelle enthält, kann die Konzentration der Enzyme um den Faktor 1000<br />

zunehmen.<br />

Das lac-Operon unterliegt einer negativen <strong>und</strong> einer positiven Transkriptionskontrolle.<br />

Die negative Regulation wird durch den Lac-Repressor bewirkt. Der Repressor<br />

verhindert in Abwesenheit von Lactose die Transkription. Die positive Kontrolle wird<br />

durch das Genaktivatorprotein CRP (= cycloAMP Rezeptor Protein) (CAP =<br />

Synonym) ausgeübt. Bei Fehlen von Glucose bildet die Zelle cycloAMP als<br />

"Hungersignal". Unter diesen Bedingungen aktiviert der CRP•cAMP Komplex die<br />

Transkription.<br />

In dem Praktikumsversuch wird die -Galactosidase-Aktivität von E. coli-Zellen<br />

bestimmt, die unter induzierenden <strong>und</strong> unter nicht induzierenden Bedingungen<br />

gezüchtet wurden. Dazu werden die Zellen in Minimalmedium gezüchtet, das als C-<br />

Quelle entweder nur Glucose, nur Lactose oder Glucose <strong>und</strong> Lactose enthält. Wenn<br />

die Kulturen eine OD 578 von 0,5 - 0,7 erreicht haben, kann die Aktivität der -<br />

Galactosidase der drei verschiedenen Zuchtansätze in einem enzymatischen Test<br />

bestimmt werden.<br />

Das Enzym ist nicht nur in der Lage, Lactose zu hydrolysieren, es hydrolysiert<br />

allgemein Substrate, die -1,4-verknüpfte Galactose-Moleküle enthalten. Daher kann<br />

zur Bestimmung der -Galactosidase-Aktivität als Substrat ortho-Nitrophenyl--Dgalactopyranosid<br />

(ONPG) verwendet werden. Die -Galactosidase spaltet ONPG in<br />

Galactose <strong>und</strong> o-Nitrophenol, dessen Extinktion bei 420nm gemessen werden kann.<br />

Um die -Galactosidaseaktivität hinreichend genau zu bestimmen, müssen<br />

mindestens 3 Messungen <strong>und</strong> 1 Blindwert pro Kultur durchgeführt werden. Die<br />

Aktivität des Enzyms wird in permeabilisierten Zellen bestimmt. Die Membranen der<br />

Bakterien werden dabei durch geringe Mengen Detergenz (SDS = Sodiumdodecylsulfat)<br />

<strong>und</strong> Lösungsmittel (Chloroform) für die Enzymsubstrate durchlässig<br />

gemacht, ohne dass die -Galactosidase geschädigt wird.<br />

.<br />

16


I. Zucht der Bakterien unter induzierenden <strong>und</strong> nicht induzierenden<br />

Bedingungen<br />

Stamm:<br />

E. coli AN387 („Wildtyp“, K12-Derivat)<br />

Vorkulturen: Von E. coli AN387 werden frische Vorkulturen (VK) ausgegeben, die mit<br />

folgenden C-Quellen gezüchtet wurden: Glucose, Lactose, Glucose <strong>und</strong><br />

Lactose<br />

Zuchtmedium:<br />

1. Medium: Pro Gruppe 100 ml Medium in einem sterilen 100 ml Messzylinder steril<br />

aus folgenden Zusätzen ansetzen:<br />

- 10 x M9-Salzlösung 10 ml<br />

- 10 mM CaCl 2 1ml<br />

- 1 M MgSO 4 0,1 ml<br />

- 10 % säurehydrolysiertes Casein 1 ml<br />

- mit sterilem Wasser auf 100 ml auffüllen<br />

Nach Zusatz aller Lösungen mischen!<br />

2. C-Quellen:<br />

Lösungen getrennt ansetzen <strong>und</strong> autoklavieren:<br />

- D-Glucose (0.1 M)<br />

- Lactose (0.1 M) (sterilfiltrieren !)<br />

3. Zuchtansätze:<br />

In 3 vorbereitete sterile Reagenzgläser werden folgende Lösungen pipettiert:<br />

Ansatz Medium C-Quelle Vorkultur<br />

A<br />

B<br />

5 ml<br />

Medium<br />

5 ml<br />

Medium<br />

+ 0,3 ml Gluc<br />

(0,1 M)<br />

C 5ml Medium + 0,3 ml Gluc<br />

(0,1 M)<br />

+ 0,3 ml Lac<br />

( 0,1 M)<br />

+ 0,3 ml Lac<br />

( 0,1 M)<br />

+ 0,15 ml VK Gluc<br />

+ 0,15 ml VK Lac<br />

+ 0,15 ml VK Gluc/Lac<br />

- Anschließende Inkubation der Hauptkulturen für etwa 1,5 h bei 37°C auf dem<br />

Schüttler.<br />

17


- nach 1,5 h Wachstum: Zuchtansätze in ein vorbereitete Eisbad stecken<br />

- Bestimmung der optischen Dichte von allen drei Kulturen (0,8 ml) sowie des M9-<br />

Medium für den Blindwert bei 578nm (Doppelbestimmungen!)<br />

- Für die Durchführung des -Galactosidase-Tests sollte die OD 578 der Kulturen<br />

nach Abzug des Blindwerts zwischen 0,5 – 0,8 liegen.<br />

- Für die Messung der optischen Dichte müssen Kulturen ab einer OD 578 > 0,5 so<br />

mit Medium verdünnt werden, dass die OD 578 wieder unter 0,5 liegt. Später muss<br />

über den Verdünnungsfaktor die endgültige optische Dichte berechnet werden.<br />

- In den anschließenden -Galactosidase-Test werden dann die unverdünnten<br />

Kulturen eingesetzt.<br />

Wichtig: Für den -Galactosidase-Test von jeder Kultur 1 ml in ein<br />

Eppendorfgefäß füllen, gut beschriften <strong>und</strong> auf Eis halten!!!<br />

Tabelle zum Eintragen: Bestimmung der optischen Dichte bei 578nm nach 1,5 h Wachstum bei 37°C<br />

Kultur<br />

A) Glucose<br />

OD 578<br />

unverdünnt<br />

OD 578<br />

verdünnt<br />

Verdünnungsfaktor<br />

Blindwert OD578<br />

B) Lactose<br />

C) Glucose/Lactose<br />

II. -Galactosidase-Bestimmung mit ONPG (o-Nitrophenylgalactosid)<br />

Lösungen:<br />

- Reaktionspuffer (nicht autoklavieren, Lagerung bei 4°C): 0,1M KP i pH 7,0<br />

10 mM KCl<br />

1 mM MgCl 2<br />

am Versuchstag pro Gruppe benötigtes Volumen (+ Reserve) des<br />

Reaktionspuffers für alle Testansätze berechnen, Puffer entnehmen <strong>und</strong> mit 2,7<br />

ml/l 2-Mercaptoethanol versetzen (im Abzug!)<br />

Reaktionspuffer + Mercaptoethanol = -Gal-Puffer<br />

18


enötigte Substanzen:<br />

- 0,1% SDS aus 10% Stammlösung<br />

- Chloroform (Abzug!)<br />

- ONPG-Lösung (4 mg/ml in H 2 0, am Versuchstag frisch ansetzen)<br />

- 1M Na 2 CO 3<br />

Vorgehensweise:<br />

Der Test wird in kurzen Reagenzgläsern durchgeführt, pro Kultur 4<br />

Parallelbestimmungen (3 x mit Kultur, 1 x mit Medium für den Blindwert). Für alle<br />

Testansätze kann der -Gal-Puffer (Reaktionspuffer mit 2-Mercaptoethanol), SDS<br />

<strong>und</strong> Chloroform in die kurzen Reagenzgläser vorgelegt werden (siehe Durchführung).<br />

Achtung: noch keine Bakterienkultur hinzugeben!!<br />

WICHTIG:<br />

Der Enzymtest wird zunächst nur mit der Lactosekultur durchgeführt! Erst wenn die<br />

Lactose-Messreihe abgeschlossen ist, wird der Test mit der Glucose- <strong>und</strong> der<br />

Glucose-/Lactosekultur parallel begonnen.<br />

Durchführung:<br />

- 0,8 ml -Gal-Puffer (im Abzug vorlegen)<br />

- + 3 Tropfen Chloroform (mit Pasteurpipette im Abzug pipettieren!)<br />

- + 2 Tropfen 0,1% SDS (Pasteurpipette)<br />

bis hier für alle Ansätze vorbereiten<br />

Dann den -Galactosidase-Test starten (erst mit Lactosekultur):<br />

- + 0,2 ml Kultur (wichtig: unverdünnt aus vorbereitetem Eppi entnehmen!!!) bzw.<br />

0,2 ml M9-Medium (Blindwert)<br />

- 10 Sek<strong>und</strong>en mischen (vortexen)!!!!<br />

- 5 min bei Raumtemperatur inkubieren<br />

- Start der Reaktion durch Zugabe von 0,2 ml ONPG, gleichzeitig Zeitnahme<br />

starten, Ansatz kurz vortexen<br />

- die nächsten Proben im Abstand von 15 sec starten, Reihenfolge beachten!!!<br />

- Inkubation bei RT bis eine deutlich sichtbare gelbe Farbe zu sehen ist.<br />

- Stopp durch Zugabe von 0,5 ml Na 2 CO 3 (wieder 15 sec Abstand <strong>und</strong> Reihenfolge<br />

einhalten! Zeit notieren!)<br />

- kurz vortexen, ins Eisbad stellen<br />

- in Eppendorfcups kippen <strong>und</strong> 5 min zentrifugieren<br />

- den Überstand in eine Glasküvette pipettieren (ca. 0,8 ml, nicht kippen) <strong>und</strong> die<br />

Extinktion der Proben (Testansatz mit Kultur bzw. Testansatz mit Medium =<br />

Blindprobe) bei 420nm messen.<br />

19


Tabelle zum Eintragen: Bestimmung der Extinktion bei 420 nm <strong>und</strong> Inkubationsdauer der Testansätze<br />

Kultur E 420 Zeit [min]<br />

1 2 3 BW E 420<br />

Lactose<br />

Glucose/Lactose<br />

Glucose<br />

Berechnung der-Galactosidaseaktivität in Miller-Units :<br />

Für die Bestimmung der spezifischen Aktivität müssen folgende Werte bestimmt<br />

werden:<br />

- die OD 578 der Kultur, die in den Test eingesetzt wird <strong>und</strong> die OD 578 des M9-<br />

Medium<br />

- die Inkubationsdauer des Testansatzes vom Start durch ONPG-Zugabe bis zum<br />

Stopp durch die Natriumcarbonatzugabe (in ganzen Minuten)<br />

- Die E 420 des Testansatzes mit Kultur <strong>und</strong> die E 420 eines identisch behandelten<br />

Blindwertansatzes mit Medium<br />

Aktivität (Miller-Units) =<br />

1000 x (E 420 Probe – E 420 Blindwert )<br />

Zeit [min] x V Probe [ml] x (OD 578 Probe – OD 578 Medium )<br />

V Probe : Kulturvolumen (ml), das in den Test eingesetzt wurde.<br />

E 420 Probe : Extinktion des Probenansatzes bei 420 nm<br />

E 420 Bw : Extinktion des identisch behandelten Blindwertansatzes<br />

20


Fragen:<br />

1. Welche Aktivität der -Galactosidase von E. coli (niedrig - mittel – hoch) erwarten<br />

Sie bei Zucht auf folgenden Substraten:<br />

- Lactose<br />

- Glucose:<br />

- Glycerin<br />

- Lactose plus Glucose<br />

- Lactose plus Glycerin:<br />

2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (mit Strukturformeln), die zur Messung<br />

der -Galactosidase im optischen Test verwendet wird.<br />

3. Erklären Sie die Bedeutung folgender Zusätze im -Galactosidasetest:<br />

- Chloroform<br />

- SDS<br />

- Na 2 CO 3<br />

Protokoll:<br />

Einleitung:<br />

- Aufbau des lac-Operons<br />

- positive <strong>und</strong> negative Regulation<br />

- Diauxie<br />

- Phosphotransferasesystem<br />

- Versuchsziel<br />

Material <strong>und</strong> Methode:<br />

- siehe Skript<br />

Ergebnisse:<br />

- Tabellarische Darstellung aller gemessenen Werte<br />

- Miller-Units für alle Messreihen berechnen <strong>und</strong> in einer Tabelle zusammenfassen<br />

(Miller-Units r<strong>und</strong>en)<br />

- Eine Bespielrechnung angeben<br />

Diskussion:<br />

- Für alle drei getesteten Wachstumsbedingungen den Zustand am Promotor<br />

beschreiben.<br />

- Was für Aktivitäten hat man unter den jeweiligen Bedingungen erwartet? Stimmen<br />

die Erwartungen mit den Ergebnissen überein? Falls nicht, wieso?<br />

21


7. Chromatographie von Penicillin-G-Natrium-Salz<br />

Antibiotika sind von lebenden Organismen gebildete Wirkstoffe, die das Wachstum<br />

von Mikroorganismen hemmen (Bakteriostatika) oder sie abtöten (Bakterizide). Sie<br />

wirken in geringen Konzentrationen.<br />

Zur Feststellung des Wirkungsspektrums von Antibiotika können eine Reihe von<br />

Tests durchgeführt werden, so der Strich-, Loch-, Zylinder- oder Blättchentest. Mit<br />

diesen Tests kann die Kulturflüssigkeit eines antibiotikumbildenden Stammes oder<br />

reine Antibiotikumlösung untersucht werden. Wird das Wachstum eines Keims<br />

gehemmt oder verhindert, entsteht um den Wirkstoff ein Hof (s. Kurs I). In der Praxis<br />

spielt die Empfindlichkeit eines Bakteriums auf den Wirkstoff eine bedeutende Rolle.<br />

Dies wird in der Hemmstoffverdünnungsreihe getestet (s. Kurs I). Die o. a. genannten<br />

Methoden können quantitativ <strong>und</strong> qualitativ durchgeführt werden. Da die gängigen<br />

Methoden bereits durchgeführt wurden, soll hier eine Methode zur Charakterisierung<br />

von Antibiotika angewendet werden.<br />

Zur Charakterisierung einer Substanz gehört unter anderem die Feststellung seiner<br />

Löslichkeit. Das Löslichkeitsverhalten gibt Hinweise auf die Möglichkeit einer<br />

Abtrennung der Substanz aus der Nährlösung des Produzenten.<br />

In einem Lösungsmittel sind die <strong>Teil</strong>chen entweder als Ion oder ungeladen als<br />

Molekül enthalten. Bei den Molekülen gibt es 2 Grenzfälle:<br />

a) polare Moleküle, in denen die Elektronen ungleichmäßig verteilt sind, so daß sie<br />

einen Dipol bilden.<br />

b) apolare Moleküle, die eine gleichmäßige Elektronenverteilung aufweisen. Von den<br />

Lösungsmitteln ist Wasser polar. Bei Verbindungen, die polare <strong>und</strong> apolare<br />

Gruppen in unterschiedlichem Verhältnis aufweisen, gibt es alle Übergänge bis<br />

zum völlig apolaren Lösungsmittel. Die Löslichkeit ist abhängig von der Polarität<br />

des Lösungsmittels <strong>und</strong> des zu lösenden Stoffes.<br />

Bei der Chromatographie ist die Wanderungsstrecke einer Substanz von deren<br />

Löslichkeit im Lösungsmittel <strong>und</strong> der stationären Phase abhängig. (Die Adsorption<br />

wird bei dieser Betrachtung vernachlässigt.) In Lösungsmitteln unterschiedlicher<br />

Polarität soll die Wanderungsgeschwindigkeit von Penicillin durch Chromatographie<br />

auf Papierstreifen bestimmt werden. Es sollen folgende Lösungsmittel verwendet<br />

werden: Wasser, 3 % NH 4 Cl, Aceton, Ethylacetat <strong>und</strong> Trichlormethan. Das<br />

Lösungsverhalten von Penicillin-G-Na-Salz soll untersucht werden. Der Nachweis<br />

des Antibiotikums erfolgt durch Auflegen der Chromatogramme auf Doppelschicht-<br />

Testplatten, die mit Staphylococcus carnosus beimpft sind. Die Lage des<br />

Hemmhofes ist abhängig von der Löslichkeit des Penicillins im Lösungsmittel. Je<br />

geringer die Löslichkeit, desto weniger weit wandert das Penicillin.<br />

Durchführung<br />

1. Auf der Startlinie des Chromatographiestreifens 2 l einer 170 E/ml (entspricht 10 -<br />

1 -Verdünnung vom Versuch “Gradientenplatte”) enthaltenden Penicillinlösung mit<br />

Hilfe einer 10 µl Pipette auftragen <strong>und</strong> trocknen lassen.<br />

22


2. Chromatographiestreifen in beschriftete <strong>und</strong> 2 ml Lösungsmittel enthaltende<br />

Reagenzgläser hängen (Startlinie unten) <strong>und</strong> mit Stopfen verschließen.<br />

Gruppe 1: Gruppe 2:<br />

<br />

Wasser Wasser<br />

3% NH 4 CI Methanol<br />

Aceton Ethylacetat<br />

Trichlormethan Trichlormethan<br />

Zunehmend apolar Zunehmend<br />

3. Weichagar verflüssigen, auf 50°C abkühlen (25 ml)<br />

4. Mit 2 ml einer 24 St<strong>und</strong>en alten Staphylococcenkultur beimpfen <strong>und</strong> gleichmäßig<br />

über die Gr<strong>und</strong>schicht auf der Petrischale mit Nähragar verteilen, fest werden<br />

lassen.<br />

5. Auf der Plattenunterseite beschriften (Laufmittel) <strong>und</strong> Strich ziehen, um<br />

Chromatogramme auf eine Startlinie zu legen.<br />

6. Chromatographiestreifen entnehmen, auf Alufolie legen, trocknen (an der<br />

Flamme!).<br />

7. Die Streifen an den Enden so zurechtschneiden, daß sie auf die Platte passen.<br />

Die gut getrockneten Chromatogramme werden vorsichtig mittels abgeflammter<br />

Pinzette auf die beschriftete Platte gelegt (genügend Abstand derselben beachten)<br />

(je 2 Streifen auf eine Platte).<br />

8. Die Platte wird 24 Std. bei 37°C bebrütet.<br />

Auswertung:<br />

Es wird graphisch dargestellt, wo sich die Mittelpunkte der Hemmhöfe befinden.<br />

Berechnung der R f -Werte (R f -Wert = Laufstrecke Hemmhofmitte / Laufmittelfront).<br />

23


Skizze der Platten mit Chromatographiestreifen <strong>und</strong> Lage der Hemmhöfe (bitte eintragen):<br />

R f -Wert:<br />

Laufstrecke Hemmhofmitte: = mm<br />

Laufmittelfront = mm<br />

R f -Wert =<br />

R f -Wert:<br />

Laufstrecke Hemmhofmitte: = mm<br />

Laufmittelfront = mm<br />

R f -Wert =<br />

R f -Wert:<br />

Laufstrecke Hemmhofmitte: = mm<br />

Laufmittelfront = mm<br />

R f -Wert =<br />

R f -Wert:<br />

Laufstrecke Hemmhofmitte: = mm<br />

Laufmittelfront = mm<br />

R f -Wert =<br />

24


Medien <strong>und</strong> Reagenzien:<br />

Standard I (Fertigpräparat der Fa. MERCK) mit 1,5 % Agar für Gr<strong>und</strong>schicht <strong>und</strong><br />

0,7 % für Weichagar<br />

Penicillin-G-Na-Salz 1700 E/ml (~ 1 mg/ml)<br />

Lösungsmittel<br />

Wasser<br />

3 % NH 4 Cl<br />

Aceton<br />

Methanol<br />

Essigsäureethylester = Ethylacetat<br />

Trichlormethan = Chloroform<br />

Chromatographiepapierstreifen: 0,6 cm breit, 19 cm lang; Start 5 cm vom Rand,<br />

Frontlinie<br />

8 cm vom Rand entfernt.<br />

Große Petrischale ( 14 cm)<br />

Organismus: 24 St<strong>und</strong>enkultur von Staphylococcus carnosus.<br />

Antibiotika-Test<br />

Die Beobachtung von Hemmhöfen in einem Bakterienrasen um Kolonien von<br />

Antibiotikabildner wird im Screening-Verfahren benutzt, um Antibiotikabildner zu<br />

isolieren. Durch Variation der Methode können auch Wirkungsspektren von<br />

Antibiotika ermittelt <strong>und</strong> Aussagen über die Wirkung gegen Teststämme gemacht<br />

werden.<br />

1. Der Lochtest: Zur Bestimmung der Wirkung eines Antibiotikums auf verschiedene<br />

Mikroorganismen eignet sich der Lochtest. In der Mitte einer Nähragarplatte wird<br />

ein Loch ausgestanzt, in das Antibiotikumlösung pipettiert wird. Die zu testenden<br />

Organismen werden radial strichförmig aufgetragen, s. Abb.<br />

Anstelle der Antibiotikumlösung kann ein antibiotikumbildender Organismus in der<br />

Mitte der Nähragarplatte geimpft werden. Erst nach Wachstum der Kolonie des<br />

Antibiotikumbildners werden die zu prüfenden Organismen aufgetragen. (wird nicht<br />

durchgeführt)<br />

25


Durchführung<br />

1) Plattenunterseite beschriften:<br />

E. coli, Staphylococcus carnosus, Micrococcus luteus, Pseudomonas stutzeri<br />

2) Loch mit Korkbohrer 1 cm aus Agarschicht stanzen, mit Impföse herausstechen<br />

3) Testkeime entsprechend der Abbildung ausstreichen<br />

4) In Loch a) 1 Tropfen steriles Wasser pipettieren, Kontrollplatte<br />

b) 1 Tropfen Penicillinlösung pipettieren (1700 E/ml)<br />

5) Plattenoberseite beschriften: Name, Datum, Kontrollplatte bzw. Versuchsplatte.<br />

6) Beide Petrischalen werden 24 Std. bei 37°C bebrütet.<br />

Auswertung<br />

Je näher die Organismen zum Antibiotikum wachsen, desto geringer ist dessen Wirksamkeit.<br />

Mit dem Test kann auf einer Platte die Wirkung eines Antibiotikums auf<br />

mehrere Organismen geprüft werden.<br />

__________________________________________________________<br />

Abstand (Wachstum) in mm vom Zentrum<br />

a) Wasser b) Penicillin<br />

__________________________________________________________<br />

E. coli<br />

S. carnosus<br />

M. luteus<br />

Ps. stutzeri<br />

__________________________________________________________<br />

2. Gradientenplatte:<br />

Die Verwendung dieses Tests beschränkt sich auf die Überprüfung isolierter<br />

Antibiotika <strong>und</strong> betrifft immer nur ein Antibiotikum in verschiedenen<br />

Konzentrationen gegenüber einem Testorganismus. Ursprünglich wurde dieser<br />

Test zur Mutantenauslese verwendet. Heute wird durch Auflegen eines mit einem<br />

zweiten Antibiotikum getränkten Papierstreifen die synergistische Wirkung von<br />

Antibiotika ermittelt. In eine schräggestellte Petrischale wird Nähragar ohne<br />

Antibiotikum gegossen. Nach Erstarren der Agarschicht wird die Platte waagerecht<br />

gestellt <strong>und</strong> eine zweite antibiotikumhaltige Nähragarschicht darüber gegossen.<br />

Auf der einen Seite ist praktisch nur Nähragar, auf der anderen Seite Nähragar mit<br />

Antibiotikum, s. Abb.<br />

Nähragar<br />

Nähragar mit Antibiotikum<br />

26


Durchführung<br />

1) Petrischale schräg stellen (Pipette oder ähnliches), 12 ml verflüssigten Standard I<br />

Agar ausgießen, Agarschicht fest werden lassen.<br />

2) Antibiotikumsverdünnungsreihe herstellen:<br />

Die Konzentration in der Ausgangslösung beträgt 1 mg/ml (= 1700 E / ml). Aus der<br />

Verdünnungsstufe 10 -1 soll eine weitere Verdünnung auf 10 -2 erfolgen.<br />

3) Petrischale waagerecht stellen, von der höchsten Verdünnungsstufe ausgehend<br />

dem verflüssigten Agar 0,1 ml Penicillinlösung bzw. für die Kontrolle 0,1 ml<br />

Wasser zugeben, ausgießen, Agarschicht erstarren lassen.<br />

4) 0,1 ml Staphylococcenkultur mit Glaspipette herausnehmen <strong>und</strong> ausplattieren.<br />

5) Petrischale beschriften<br />

6) Platten 24 Std. bei 37°C bebrüten.<br />

Auswertung:<br />

Je nach Ausmaß des Bakterienrasens oder der Häufigkeit vereinzelter Kolonien<br />

können Rückschlüsse auf die Wirksamkeit des Antibiotikums bzw. die Häufigkeit<br />

resistenter Keime gezogen werden.<br />

Skizzieren Sie die Wachstumszonen für die Platten mit den verschiedenen<br />

Antibiotikakonzentrationen (Antibiotikagradienten einzeichnen !)<br />

Penicillin:<br />

0 E / ml 17 E / ml 170 E / ml 1700 E / ml<br />

Stoffgradient<br />

steigende Konz.<br />

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