Mikroorganismers opbygning

Denne underside om mikroorganismers opbygning udgør første del af teorien for Biotech Academys materiale om fermentering.

 

Cellens makromolekyler

Alle levende organismer er opbygget af celler. Nogle består kun af en enkelt celle, mens andre, f.eks. mennesker, består af milliarder af celler. Hver celle har en speciel struktur og mange funktioner, alt efter hvilken slags celle det er. Der findes en opskrift på, hvordan en celle skal se ud, dele sig, hvordan den skal udføre forskeligt arbejde, samt hvordan den skal snakke sammen med andre celler. Opskriften kaldes for cellens genom, som er samlingen af alle cellens gener. Man kan sige, at hvert gen er en opskrift i den store kogebog, genomet. Et genom består af DNA-molekyler, som er lange strenge opbygget af små enheder kaldt nukleotider. Et nukleotid består af en følgende fire baser:

• A (adenin)
• T (thymin)
• G (guanin)
• C (cytosin)

Figur 1. Opbygningen af en DNA dobbeltstreng, samt en illustration af baseparring. Baserne A og T parres med hinanden, og C og G parres med hinanden.

 

 

Disse baser er alle sat sammen med et sukkermolekyle og en fosfatgruppe. Man kan beskrive DNA’s struktur, som en snoet trappe, hvor hvert trappetrin ser forskelligt ud. Det kan enten være rødt (A) og grønt (T) eller gult (C) og lilla (G). Gelænderet på begge sider er ens – idet der hører et sukkermolekyle og en fosfatgruppe til begge sider af hvert trin.

Et enkelt gen består af en række af A’er, T’er, C’er og G’er. Hvert gen indeholder opskriften på et protein, som cellen kan lave, hvis der er brug for det. Når proteinerne er lavet, så er det dem, der udfører alle cellens funktioner.

Celler har hele tiden brug for næringsstoffer til at arbejde og bygge nye celler. Ligesom vi skal spise mad flere gange om dagen for at kunne fungere og gå på arbejde, så er det også vigtigt, at vi sørger for, at mikroorganismerne får næring. En celle består af en masse forskellige molekyler, hvor de fleste kan inddeles i fire grupper, som de vigtigste:

• Proteiner
  

  Proteiner er meget vigtige for, at cellen kan leve og dele sig. Det er bl.a. proteiner, som nedbryder den mad, vi spiser. En stor gruppe proteiner kaldes for enzymer. Det er molekyler, der sørger for at kemiske processer sker hurtigere. Alle proteiner er opbygget af lange kæder af aminosyrer. Der findes 20 forskellige aminosyrer, og proteiner kan være sammensat på uendelig mange måder. Tre baser af A, T, C eller G i en bestemt rækkefølge koder for en bestemt aminosyre. Dette kaldes for ”den genetiske kode”. Proteiner kan bestå af et par hundrede til flere tusinde aminosyrer.

• Kulhydrater

  Kulhydrater er opbygget af de tre grundstoffer carbon (C), hydrogen (H) og oxygen (O). Andre ord, som du måske har hørt, der beskriver kulhydrater, er sukker, stivelse, kostfibre eller sukkerstoffer. Den mindste del af et kulhydrat er et monosakkarid. Et eksempel på et monosakkarid er glukose. Glukose er et andet ord for druesukker, som f.eks. findes i sodavand. Det sukker, som står hjemme i køkkenet, og som man bruger til f.eks. bagning kaldes sukrose. Sukrose er et disakkarid. Et disakkarid er opbygget af to monosakkarider. Kulhydrater er meget vigtige for cellen til omdannelsen af energi.

• Fedt

  Fedt kaldes i biologien for lipider. Man kan få en masse energi ud af lipider, men de bruges også til opbygning af nye celler. Lipider findes nemlig i cellemembranen.

• Nukleinsyrer
  

  Nukleinsyrer er opbygget af nukleotider, som beskrevet tidligere. Et eksempel på en nukleinsyre er DNA. Nukleotider bruges altså til at lave nyt DNA, hver gang cellen deler sig.

Nu har du lært noget om det, som er fælles for alle organismer – hvad en celle og et gen er, og hvilke næringsstoffer en celle har brug for. Men mikroorganismer ligner ikke alle sammen hinanden, selvom grundstenene er de samme. Mikroorganismer kan inddeles i to grupper alt efter, hvordan den enkelte celle er opbygget. Hvis cellen ikke har en kerne, kaldes den for en prokaryot celle. Har cellen derimod en kerne, kaldes den for en eukaryot celle.

Prokaryote celler

Bakterier er mikroorganismer, som kun består af en enkelt celle og hører til gruppen prokaryoter. Det er vigtig at huske, at prokaryote celler ikke har nogen cellekerne. En prokaryot celle indeholder følgende strukturer:

• Cellemembran
  Yderst har en bakterie en cellemembran, som er sat sammen af forskellige lipider. Cellemembranens meget vigtige funktion er at beskytte cellen mod de ydre omgivelser. Cellemembranen beskytter også det indre miljø ved at holde det samlet. Det er meget vigtigt for bakteriens overlevelse, at membranen ikke går i stykker. Transport af vigtige molekyler foregår gennem cellemembranen. Her er nogle forskellige kanaler, som f.eks. kan forsyne cellen med næringsstoffer. Affaldsstoffer, som bliver produceret inden i cellen, transporteres ud igennem membranen. Nogle bakterier har udviklet et ydre lag, rundt om cellemembranen, som kan give dem ekstra beskyttelse.

Figur 2. Opbygningen af en prokaryot celle. Prokaryote celler rummer cellevæske (cytoplasma), omringet af en cellemembran. Arvematerialet, i form af et enkelt cirkulært kromosom, flyder frit rundt i cellen.

 

 

• DNA
  Inde i cellen finder man bakteriens DNA liggende frit. Det er formet som en enkelt rund kæde. Bakterier har ofte ekstra DNA i form af små ringe, som kaldes plasmider.

• Ribosomer
  Dette er cellens proteinfabrik. Herinde dannes proteinerne ud fra aminosyrer. Rækkefølgen af aminosyrer eller opskriften på proteinet findes i DNA’et.

• Cytoplasma
  Cellen er fyldt op med cytoplasma, som er en slags væske. Forestil dig, at du har en ballon. Inde i ballonen lægger du noget snor (DNA) og nogle perler (ribosomer), og bagefter fylder du den med vand (cytoplasma) og lukker den.

• Flagella og pili
  Nogle bakterier har også mulighed for at bevæge sig, da de har udviklet såkaldte flagella, som er opbygget af protein. Du kan forestille dig, at flagella er ligesom fødder, og at vi ikke ville kunne gå rundt uden dem. Endelig har nogle bakterier udviklet små hår, som sidder på ydersiden af membranen. Disse hår kaldes for pili, og gør det muligt for bakterien at klistre sig til andre bakterier og overføre DNA til dem.

Eukaryote celler

Svampe hører til gruppen af organismer, der kaldes eukaryoter. Eukaryoter dækker over alle organismer, hvis celler har en cellekerne. Eukaryote celler er ofte meget større end bakterieceller, da der findes mange flere rum og organeller inde i cellen. En eukaryot celle indeholder følgende strukturer:

• Cellemembran
  

  Yderst findes der en ydre cellemembran. Den har den samme funktion, som cellemembranen rundt om den prokaryote celle. Svampe har også en cellevæg rundt om membranen.

• Indre kerne og DNA
  

  Inde i cellen er der en indre kerne, som også er omgivet af en membran. I denne kerne findes cellens DNA, der er formet som lange tråde.

• Ribosomer
  

  Proteinfabrikken (den samme som findes hos bakterier).

• Mitokondrier
  

  Det er energifabrikken, hvor sukker omdannes til energi i form af ATP. Denne proces kaldes for respiration. Cellen bruger den dannede energi til at vokse og arbejde.

 

Figur 3. Opbygningen af en eukaryot celle. En eukaryot celle rummer adskillige organeller, der hver udfører en af cellens underfunktioner.

 

 

• Det endoplasmatiske retikulum

  Det endoplasmatiske retikulum (ER) er delt op i en glat del og en ru del. Den ru del hjælper med at danne og transportere proteiner, mens der i den glatte del bliver dannet fedtstoffer.

• Golgi-apparatet

  Golgi-apparatet har betydning for den videre behandling af proteiner. Golgi-apparatet modtager nydannede proteiner fra det ru endoplasmatiske retikulum, hvorefter det sørger for at færdigbehandle, sortere, pakke, og transportere proteiner derhen hvor de skal. Det kan både være inden i eller uden for cellen.

• Lysosomer

  Lysosomer er cellens skraldemænd. De nedbryder de stoffer, som er blevet optaget af cellen f.eks. bakterier eller stoffer, der er produceret inde i cellen, som f.eks. nedslidte stoffer.

• Cytoplasma

  Alle de ovennævnte strukturer ligger og flyder rundt i cytoplasmaet inden i cellen ligesom i en prokaryot celle.

 

De celler, som mennesker er opbygget af, er også eukaryote celler. Det er vigtigt at huske, at både prokaryote og eukaryote celler er opbygget af de samme molekyler (proteiner, kulhydrater, fedt og nukleinsyrer), men at strukturen af de forskellige celler er forskellig.

Mere om bakterier

Bakterier er en meget stor gruppe af mikroorganismer. En lille klump jord indeholder milliarder af bakterier. De er ofte encellede organismer, men der findes eksempler på flercellede prokaryoter. Bakterier kan danne kolonier, som består af mange enkelte bakterieceller. De kan også danne kæder eller par. Hver enkelt bakterie er dog en helt selvstændig celle og vil kunne leve alene. Dette er vigtig at huske, da det karakteriserer en encellet organisme.

Bakterier er meget små, og man skal bruge et mikroskop for at kunne se dem. Desuden findes de i et stort antal forskellige former. De kan være runde, aflange eller formet som en lang tråd. Formen på en bakterie kan hænge sammen med det sted den lever.

Forskellige bakterier kan have forskellige krav til næringsstoffer og andre forhold. Disse krav er afgørende for, at bakterien kan dele sig og danne energi.

Nogle bakterier opbygger nye byggeklodser af organisk materiale, mens andre bakterier kan leve af uorganiske stoffer.

Desuden kan der for nogle bakterier være krav om, at der er oxygen tilstede i miljøet. Andre bakterier vokser dog slet ikke hvis der er oxygen i deres omgivelser. Der findes også en gruppe bakterier, der er i stand til at leve både med og uden oxygen.

 

Behov for energi

Dannelsen af energi kan også foregå på forskellige måder. Nogle bakterier får energi fra respiration, mens andre bakterier danner energi fra sollys. Dette kaldes for fotosyntese. Alle planter, alger og nogle bakterier kan lave fotosyntese:

Kuldioxid + Vand + Energi fra sollys —> Kulhydrat + Oxygen

CO₂ + H₂O + Energi —> C₆H₁₂O₆ + O₂

Den energi, som bakterier får, bruges til at opbygge byggeklodser til at lave nye celler eller reparere dele i cellen. I forhold til fermentering er det vigtigt at kende de krav til leveforhold, som er nødvendige for at en bakterie kan opnå succes.

Bakterier findes som nævnt overalt i naturen. Nogle bakterier er afhængige af, at de lever i havet, mens andre bakterier kræver adgang til oxygen. Nogle bakterier kan lide, at det er koldt, mens andre bakterier kan leve ved temperaturer på over 100°C. Der lever eksempelvis også bakterier i vulkaner. Bakterien tilpasser sig således lige netop det miljø, som den lever i. Hvis du vil læse mere om disse bakterier, kan du med fordel læse ”Ekstremt liv”.

Bakterier kan både være gode og dårlige for os. Nogle sygdomme skyldes bakterier. Måske har du prøvet at være syg med lungebetændelse, eller måske har du haft huller i tænderne? Så er det fordi, nogle bakterier har valgt at bo i dine lunger eller i din tand. Der findes også en del bakterier, som er rigtig gode og sørger for, at vi ikke bliver syge.

Dette projekt handler om de gode bakterier. Her ”ansætter” vi dem til at producere forskellige produkter, som vi kan bruge. Bakterier bruges bl.a. i produktionen af yoghurt. Disse bakterier kaldes mælkesyrebakterier, og de er med til at give yoghurten den rigtige smag og konsistens. Så uden bakterier ville din yoghurt ikke se ud, som den du drikker i dag!

Mere om svampe

Svampe er en stor gruppe af organismer. Der er beskrevet mere end 100.000 forskellige svampe, men man tror, at der findes omkring 1,5 millioner. Svampe kan inddeles i tre grupper: Skimmelsvampe, storsvampe og gærsvampe. De spiselige svampe hører til gruppen af storsvampe. Skimmelsvampe og storsvampe er flercellede organismer. Flercellede organismer består af mange celler, som arbejder sammen. Gærsvampe er encellede organismer ligesom bakterier. Det gær, som man kan købe i supermarkedet og bruge til at bage brød, er altså en svamp.

Svampe er eukaryote organismer, og hver celle har altså et anderledes udseende end en bakteriecelle. Langt de fleste svampe er opbygget af såkaldte hyfer, som er lange rørformede celler, og når de vokser, så forgrener de sig. Disse forgreninger bliver til et helt netværk af celler, og dette netværk kaldes for svampens mycelium eller en mycelle. Man kan beskrive det som et træ. Hvert blad (celle) er forbundet via grene. En gren (hyfe) med flere blade er forbundet til andre, og tilsammen udgør de et helt træ (mycelle). Hyferne kan kun ses med et mikroskop, da de er meget små, men tit kan man se en mycelle uden. En gærsvamp danner ikke disse hyfer, da gærsvampe består af enkelte gærceller, som lever uden at være forbundet med andre celler.

Svampe vokser, hvis der i miljøet omkring dem findes organisk materiale som kulhydrater og proteiner f.eks i form af træ eller brød. Når svampene udskiller enzymer, vil disse kulhydrater og proteiner blive nedbrudt til mindre dele, som svampen kan optage gennem deres membraner. De optagede stoffer kan bruges til svampens vækst eller dannelsen af energi.

 

Forskellige typer af svampe

Svampe har forskellige navne, alt efter hvor de får deres næringsstoffer fra. Svampe, som nedbryder og lever af dødt organisk stof som døde dyr og planter, kaldes for nedbrydere. En svamp kan også være en parasit, der lever af næringsstoffer fra levende celler som f.eks. korn eller levende planter. Samtidig med at svampen spiser, bliver planten dårligere og dør på et tidspunkt. Svampe kan også godt leve sammen med andre organismer uden at dræbe dem. Hvis en svamp og en plante lever sammen uden problemer, så kaldes det for en symbiose. Det kan f.eks. være, at svampen suger vand og næringsstoffer til et træ og til gengæld får svampen nogle andre næringsstoffer fra træet. De har på denne måde begge fordele ved forholdet.

Figur 4. Svampe vokser som et underjordisk rodnetværk, kaldt et mycelie. Hvert mycelie forgrener sig i hyfer, der skafer næring til svampen. Det vi normalt tænker på som svampe (fx dem man kan se i skoven), er svampens frugtlegeme, der bærer på svampesporene.

 

Svampe kan leve i mange forskellige slags miljøer. Nogle svampe lever i jorden, mens andre bor i flydende eller fugtige miljøer. De kan leve i vores køleskab på f.eks. oste, og de kan findes i miljøer med eller uden oxygen. Svampe er rigtig gode til at leve under ekstreme forhold. Det kan være steder, hvor temperaturen er meget høj, eller pH-værdien er meget lav f.eks. i sur jordbund.

Svampe kan altså både være gode og dårlige. Nogle svampe kan være meget vigtige i forhold til det miljø, som de bor i bl.a. ved nedbrydningen af forskellige næringsstoffer. Men de kan også være giftige og medføre sygdomme i dyr og mennesker.

Du skal i dette projekt lære om, hvordan vi har gavn af bakterier og svampe, og hvordan de hjælper os med at producere forskellige stoffer. Har du nogensinde fået penicillin, fordi du har haft halsbetændelse? Penicillin er et lægemiddel, som man kan give mod sygdomme, som skyldes bakterier. Penicillin bliver naturligt produceret af svampe, kaldt Penicillium-svampe.

Mikroorganismer som små fabrikker

Mikroorganismer har mange forskellige evner og forskellige funktioner. Du har læst om, hvordan bakterier kan beskytte os mod sygdomme, og om hvordan svampe kan sørge for, at et træ kan overleve. Ud over disse roller har mikroorganismer også indtaget en rolle i vores teknologiske samfund. Når vi vasker tøj,  bruges enzymer produceret af mikroorganismer. Når vi tager medicin f.eks. mod sukkersyge (diabetes), så bruges insulin produceret af mikroorganismer.

Mikroorganismer kan naturligt producere mange forskellige stoffer. Disse kaldes enten for primære eller sekundære metabolitter. De primære metabolitter bliver produceret, når organismen vokser. Det er ofte stoffer, som er nødvendige for, at mikroorganismen kan vokse. Sekundære metabolitter dannes, når den er færdig med at vokse, og de har derfor ikke betydning for vækst eller overlevelse. Nogle produkter, som mikroorganismer producerer naturligt, er interessante i den bioteknologiske forskning, da det kan være gavnligt i vores hverdag, som f.eks. anvendelsen af enzym i vaskemiddel. Mikroorganismen kan altså have et eller flere gener, der koder for det specifikke produkt.

 

Mikroorganismer i industrien:

Efter opdagelsen af mikroorganismer og forståelsen af deres evner er mikroorganismer blevet integreret i forskellige industrier. Deres evner udnyttes bl.a. i fødevareindustrien og landbruget, samtidig med, at de kan producere værdifulde produkter, generere energi og være til gavn for miljøet. De udnyttes også i medicinalindustrien og i bioteknologiske firmaer.

Dog kan der være problemer, f.eks. kan det være, at vi ikke kan dyrke organismen i en fermenteringstank, eller at organismen slet ikke producerer nok af det ønskede produkt. Heldigvis kan nogle bakterier vokse i en tank. Flyttes det nyttige gen fra mikroorganismen over i bakterien, vil processen kunne løbe med stort udbytte. Hvordan man gør dette, kommer i afsnittet ”Hvad er det, vi kan?”.

At dyrke en mikroorganisme i en tank og udvinde det stof, som den producerer, kaldes for fermentering. Fermentering er en kæmpe industri i hele verden, og der findes flere store danske virksomheder, som arbejder med dette. Har du mon hørt om Novo Nordisk, Novozymes eller Chr. Hansen?

Ved fermentering udnytter man en mikroorganisme. Man kan sige, at fermenteringstanken svarer til firmabygninger, og mikroorganismerne svarer til medarbejderne. Fermentering vil blive gennemgået i et senere teoriafsnit.

Mikroorganismer og bionik

Mikroorganismer findes i et meget stort antal, og de kan leve i ekstreme omgivelser. De ekstreme omgivelser giver os mulighed for at lære af deres måde at overleve disse omgivelser på. De har evnen til at omdanne og producere produkter, som vi ikke engang selv kan producere. At blive inspireret og udnytte deres evner er netop sammenhængen mellem mikroorganismer og bionik. Vi bliver ikke kun inspireret af mikroorganismer, men vi ”ansætter” dem også i vores firmaer. De kan endda være meget billigere end en normal (menneskelig) medarbejder! Nogen gange kan vi også lære nyttige ting fra skadelige mikroorganismer. Der ligger stadig meget viden gemt hos mikroorganismerne – både de gode og dårlige.

 Spørgsmål

1. Hvad er et gen?
2. Hvad er forskellen på en bakteriecelle og en svampecelle?
3. Nævn en god ting, som en bakterie kan.
4. Nævn to metoder, hvorpå mikroorganismer får dannet energi.