Der Stammbaum der Bakterien

Phylogenetische Klassifizierung von Bakterien

LUCA, unser gemeinsamer Vorfahre

Alles Leben auf der Erde kann in drei Domänen (das höchste biologische Taxon) eingeteilt werden: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Alle drei Domänen teilen den gleichen universellen Vorfahren LUCA, den „Last Universal Common Ancestor“.

Archaea - vor allem in extremen Ökosystemen zu finden
Archaea - vor allem in extremen Ökosystemen zu finden

Archaea

Archaeen sind eine sehr alte Domäne - von außen sehr ähnlich zu Bakterien, aber mit sehr unterschiedlichen Genen und einer besonderen Biochemie. Derzeit sind 26 Evolutionsgruppen (phyla) bekannt. Sie kommen vor allem in extremen Ökosystemen wie heißen Quellen oder Salzseen vor, finden sich aber wahrscheinlich auch in ökologischen Nischen wie dem Darm oder dem Nabel.

Eukaryoten

Eukaryoten sind einzellige Organismen mit einem Zellkern und Zellorganellen und sind die jüngste Domäne. Sie sind der Baustein für das komplexe, vielzellige Leben, das vor 600 Millionen Jahren entstand. So gehören einige Eukaryoten auch zu den Mikroben, wie zum Beispiel Schimmelpilze oder Algen. Eukaryoten sind in 5 Evolutionsgruppen (Phyla) eingeteilt.

Eukaryoten sind einzellige Organismen und sind die jüngste Domäne
Eukaryoten sind einzellige Organismen und sind die jüngste Domäne
Eine neue Sicht auf den Baum des Lebens
Hug et al., Eine neue Sicht auf den Baum des Lebens, 2016

Bakterien

Die Bakterien Domäne ist mit derzeit 92 Phyla die größte aller drei Domänen. Erst im Jahr 2016 wurden über 1.000 neue bakterielle Organismen gefunden und die Wissenschaftler sind sich sicher, dass noch weitere hinzukommen.

Diese große bakterielle Vielfalt lässt sich wie folgt darstellen: Wenn ein Stammbaum erstellt wird, der alles Leben auf der Erde darstellt, ruht LUCA in der Mitte eines Stammes mit weit reichenden Ästen. Wenn Menschen am Ende einer Verzweigung in der 5-Uhr-Position säßen, wo würden Sie das bekannte Kräuter Basilikum erwarten? Nun, es ist direkt neben uns, auf einem Ast um 5.01 Uhr! Wenn also Kräuter und Menschen im phylogenetischen Stammbaum so nah beieinander sind, was sitzt sonst noch im Rest des Baumes? Es sind die Bakterien! Sie besetzen rund 80% des Baumes! Wenn zum Beispiel das bekannte Bakterium E. coli bei 6 Uhr auf einem Ast sitzen würde, würde Lactococcus lactis bei 12 Uhr sitzen!

Klassifizierung von Bakterien

Bakterien können nach beobachtbaren Merkmalen klassifiziert werden, dem sogenannten Phänotyp ...

Zuallererst ist die Gram-Färbung das wichtigste Klassifizierungswerkzeug der Mikrobiologie. Diese Färbung unterscheidet zwei verschiedene Zellhüllentypen: die Hülle, die mit der Gram-Methode gefärbt werden kann, und die, die das nicht kann. Es gibt Bakterien mit einer starren, dicken Zellwand und einem höheren inneren Druck – gram-positive Bakterien. Gram-negative Bakterien haben eine dünnere Zellwand, aber eine zusätzliche schützende äußere Membran. Die letztere Gruppe konnte nicht durch den Farbstoff markiert werden, daher nennen wir sie jetzt Gram-negativ, weil sie nicht auf die von Dr. Christian Gram erfundene Markierungsmethode reagieren.

Bakterien können auch durch ihre Koloniemorphologie klassifiziert werden. Wenn Bakterien in einer Umgebung wachsen, die sie mit allen benötigten Nährstoffen und der richtigen Temperatur versorgt, kann ein einzelnes Bakterium Kolonien bilden, welche Konglomerate von Millionen von Klonen dieses Bakteriums sind, die man mit bloßem Auge sehen kann. Diese Kolonien sehen unterschiedlich aus: Sie können schleimig, trocken, faltig sein, Türme bilden und verschiedene Farben haben, die für ein bestimmtes Bakterium charakteristisch sind.

Sie können nach ihrer Art sich zu bewegen klassifiziert werden – wenn sie sich überhaupt bewegen. Sie können schwimmen, kriechen, krabbeln, schwirren oder sich mit Gasbläschen bewegen.

Indem man Bakterien mit speziellen Zusätzen füttert oder sie bei einer speziellen Temperatur oder einem pH-Wert züchtet, kann man sie durch ihre Physiologie unterscheiden. Entweder sie wachsen auf einem speziellen Nährboden oder sie setzen Enzyme frei, die einen Farbwechsel spezieller chemischer Komponenten bewirken ...

… aber seit kurzem werden sie häufiger (und genauer) nach ihrem Genotyp klassifiziert.

Hier ist nur ein kurzer detaillierter Einblick in einen Auszug einiger wichtiger evolutionärer Bakteriengruppen (phyla), um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sie klassifiziert sind und welche Beziehungen zwischen Bakterien bestehen. Die höchste Ordnung ist die Domäne - hier Bakterien - und die nachfolgende Ordnung ist die Abteilung:

Phylum Firmicutes (Gram-positive):

Klasse: Bacilli or Firmibacteria

Ordnung: Bacillales

  • Familie: Bacillaceae
    Bacillus (commensal of the gut and environment)
  • Familie: Listeriaceae
    Listeria (agent of Listeriosis)
  • Familie: Staphylococcaceae
    Staphylococcus (agent of Atopic Dermatitis, MRSA)

Ordnung: Lactobacillales

  • Familie: Enterococcacae
    Enterococcus (commensal of the gut)
  • Familie: Lactobacillaceae
    Lactobacillus (commensal of the gut and vagina)
  • Familie: Streptococcaceae
    Streptococcus (commensal of the mouth)

Klasse: Clostridia

Ordnung: Clostridiales

  • Familie: Clostridiaceae
    Clostridium (commensal of the gut and agent of food poisoning)
Phylum Actinobacteria (Gram positive):

Klasse: Actinobacteria

Ordnung: Actinomycetales

Unterordnung: Corynebacterineae

  • Familie: Corynebacteriaceae
    Corynebacterium (commensal of the skin)
  • Familie: Mycobacteriaceae
    Mycobacterium (agent of Tuberculosis)

Unterordnung: Propionibacterineae

  • Familie: Propionibacteriaceae
    Propionibacterium (commensal of the skin, agent of acne)

Ordnung: Bifidobacteriales

  • Family: Bifidobacteriaceae
    Bifidobacterium (commensal of the gut)
Phylum Bacteroidetes (Gram-negative):

Klasse: Bacteroida

Ordnung: Bacteroidales

  • Familie: Bacteroidaceae
    Bacteroides (commensal of the gut)
  • Familie: Prevotellaceae
    Prevotella (commensal of the G.I. tract)

Klasse: Flavobacteria

Ordnung: Flavobacteriales

  • Familie: Flavobacteriaceae
    Flavobacterium (environmental bacterium)
Proteobacteria (Gram-negative):

Klasse: Alphaproteobacteria

Ordnung: Rhizobiales

  • Familie: Rhizobiaceae
    Rhizobacterium (nitrogen-fixating symbiont of plant-roots)

Klasse: Betaproteobacteria

Ordnung: Neisseriales

  • Familie: Neisseriaceae
    Neisseria (agent of gonorrhoea)

Klasse: Epsilonproteobacteria

Ordnung: Campylobacterales

  • Familie: Campylobacteriaceae
    Campylobacter (agent of food poisoning)
  • Familie: Helicobacteraceae
    Helicobacter (commensal of the stomach)

Klasse: Gammaproteobacteria

Ordnung: Enterobacteriales

  • Familie: Enterobacteriaceae
  • Enterobacter (commensal of the gut)
  • Escherichia (commensal of the gut)
  • Klebsiella (dangerous hospital germ)
  • Salmonella (agent of food poisoning)
  • Shigella (agent of dysentery)

Ordnung: Vibrionales

  • Familie: Vibrionaceae
    Vibrio (agent of Cholera)

Ordnung: Legionellales

  • Familie: Legionellaceae
    Legionella (agent of Legionnaire's disease; found in warm-water-pipes)

Ordnung: Pseudomonales

  • Familie: Moraxellaceae
    Acinetobacter (dangerous hospital germ)
  • Familie: Pseudomonadaceae
    Pseudomonas (agent of lung infections, highly abundant in CF-patients)
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