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Warum ist das Einfrieren von Bakterien kein Problem?

Warum ist das Einfrieren von Bakterien kein Problem?


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Ich habe eine Folgefrage zu dieser Frage: Tötet das Einfrieren von Mikroorganismen wie Probiotika sie ab?

Wenn Gefrierbakterien einige von ihnen abtöten, üben Sie beim Einfrieren effektiv selektiven Druck auf die Bakterien aus (die Bakterien, die gegen niedrige Temperaturen resistenter sind, überleben, Bakterien, die weniger resistent sind, sterben ab). Warum ist es dann eine gute Idee, Bakterien einzufrieren?


Die Eiskristalle, die sich bilden, reißen und scheren die Bakterienzellen, es sei denn, Sie geben den Zellen zuvor ein Kryoschutzmittel (z. B. Glycerin) zu.

Denken Sie daran, wenn Wasser gefriert, nimmt sein Volumen zu. Aus diesem Grund platzt eine geschlossene Dose für Erfrischungsgetränke, die Sie zum schnelleren Abkühlen in Ihren Gefrierschrank stellen, wenn Sie sie darin belassen, bis der Inhalt gefroren ist.

Genau dasselbe passiert mit Zellen (tierische Zellen, Pflanzenzellen, Hefezellen usw.), wenn sie ohne Kryoschutzmittel eingefroren werden.


Die Langzeitwirkung des Einfrierens oder Verbrennens von Bakterien liegt darin begründet, wie brutal und schwer solche Aktionen auszuhalten sind.

Beim Einfrieren entstehen Eiskristalle, die, wie mdperry betont, "die Bakterienzellen zerreißen und scheren". In Theorie Dies könnte einen selektiven Druck erzeugen, um diese Temperaturen zu überleben, und tatsächlich ist bekannt, dass Akineten den Gefrierprozess überleben. Dies ist jedoch ein nicht trivialer evolutionärer Schritt. Um einen solchen Zustand in die Lebensdauer eines Bakteriums einzupassen, wäre eine erhebliche Mutation erforderlich. Das Einfrieren von Bakterien für einige hundert Millionen Jahre wird wahrscheinlich ausreichen, um ihnen das Überleben beizubringen! Ohne einen solchen Schritt ist es einfach nicht vernünftig, den Missbrauch zu überleben.

Das gleiche gilt für die Verbrennung. Sobald Sie heiß genug werden, wird die Chemie organischer Moleküle zu einem permanenten Endproblem. Es ist einfach wirklich schwer, sich zu entwickeln, um dies zu besiegen. Tatsächlich reicht ein Autoklav aus, um praktisch alles zu töten, obwohl ein Stamm von Pyrolobus fumarii bei 121 ° C in einem Autoklaven überlebte.


Warum können wir Bakterien auf unbestimmte Zeit schockfrosten, aber nicht Menschen oder ähnliche Organismen?

Ich habe eine Weile in einem biochemischen Forschungslabor gearbeitet und mich gefragt, warum ich einen Glycerinvorrat von Bakterien blitzschnell einfrieren, bei -80°C lagern und Monate später ohne erkennbare Probleme in Wachstum / Funktion wieder auftauen kann aber nicht etwa ein Mensch. Ich bin mit dem aktuellen Stand der Kryotechnik nicht sehr vertraut, aber mein Eindruck ist, dass ein Mensch sofort sterben würde, wenn er in flüssigem Stickstoff schockgefroren würde. Ist es einfach nur ein Beispiel für die Einfachheit / Widerstandsfähigkeit von Bakteriensystemen im Vergleich zum Menschen?

Ihre Frage enthält Ihre Antwort: Es ist das Glycerin. Das Glycerin verhindert die Bildung von Eiskristallen, die die Zellen zerstören und der Grund, warum wir echte Menschen nicht einfach einfrieren und auftauen können.

Da die Bakterien sehr kleine einzellige Organismen sind, wird das Glycerin gleichmäßig in den Zellen verteilt, während die einfache Verabreichung von Glycerin an den Menschen nicht zu einer ausreichenden Verteilung von Glycerin in jeder Zelle des Körpers führen würde (es gibt auch andere Probleme, unser Körper ist einfach nicht x27t zum Einfrieren bestimmt).

Denken Sie auch daran, dass nicht unbedingt jede Zelle im Bestand das Einfrieren überlebt, aber da es so viele gibt und sie unabhängig voneinander wachsen, ist es nicht wirklich ein Problem, wenn Sie sie wieder auftauen.

Einige Tiere (insbesondere bestimmte Froscharten) produzieren ihre eigenen Anti-Eiskristall-Proteine ​​und können dadurch eingefroren überleben.

Haben Schildkröten auf diese Weise eine ähnliche Funktion wie Frösche? Ich erinnere mich, dass ich als Kind einen Freund hatte, der viele Tiere hatte. Und eines Winters ließ er seine Schildkröten draußen und sie erfroren in ihren Tanks, aber als sie auftauten, ging es ihnen gut und sie lebten noch viele viele Jahre.

Dies funktioniert absolut für menschliche Zellen, nur nicht für ganze Organismen. Die meisten Biologielabore halten Zellkultur-Zelllinien auch in Gefrierschränken, und diese stammen von fast allen Spezies: Maus, Ratte und sogar Mensch (HEK293, siehe "The Immortal Life of Henrietta Lacks").

Vielzellige Organismen sind viel komplizierter, weil sie extrazelluläre Strukturen haben, die beschädigt werden könnten, und ihre intrazelluläre Architektur viel komplizierter ist.

Es gibt ein Problem mit dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Bakterien und andere einzellige Organismen haben eine riesige Oberfläche pro Volumeneinheit. Beim Menschen ist es viel kleiner. Dies bedeutet, dass es relativ weniger Oberfläche gibt, durch die die Wärmeenergie verloren geht, sodass der Mensch viel langsamer abkühlen würde. Dies führt dann dazu, dass die Größe der Eiskristalle falsch ist, aber ich kann mich nicht erinnern, wie oder warum!

Kein Experte, aber Ihre Fragen wirft in meinem Kopf diese zusätzliche Frage auf, wie würden Sie das Flash-Freeze einfrieren? gesamte Mensch zugleich? Es dauert einige Zeit, bis die Temperatur in den Körperkern eindringt. Ein Bakterium hat ein viel höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen.

Es kann jetzt getan werden. „Sushi ist ähnlich schwierig einzufrieren – Eiskristalle zerstören die Textur des Reises auf die gleiche Weise. So wurde eine Methode zum Unterkühlen des mundgerechten japanischen Essens entwickelt. Es basiert auf Magneten, die das Wasser mithilfe von Magnetfeldern in Schwingung versetzen und es -10 Grad Celsius erreichen lassen, ohne zu gefrieren. Sobald das Magnetfeld ausgeschaltet wird, gefriert das Wasser sofort, ohne Zeit für Eiswachstum. Nach dem Auftauen ist das Sushi perfekt essbar.
Hier ist eine Video-Demo.

Ich vermute auch hier, aber da der menschliche Körper aus einer Vielzahl verschiedener Zellen besteht, wette ich, dass einige von ihnen anders auf das Einfrieren reagieren als andere, und dass das Einfrieren die Verbindungen zwischen den Zellen beschädigen könnte sich. Hier wäre nur eine einzelne Zelle von Vorteil.

Ich bin Student an einer Forschungsuniversität und habe im Grunde nur einen Professor gefragt, ob ich mit ihnen zusammenarbeiten könnte. Ich werde nicht direkt von ihnen bezahlt, also ist es eher eine Sache der Freiwilligen (obwohl ich Stipendien durch Forschungsprogramme für Bachelor-Studiengänge erhalten habe). Ich war auch an Sommerforschungsprogrammen beteiligt (siehe das Amgen Scholars-Programm oder NSF REUs).

Ich würde sagen, dass es daran liegt, dass Bakterien einfach und robust sind, im Gegensatz zu einem Menschen ein extrem komplexes System mit vielen beweglichen Teilen.

Beim Menschen führt das Schockgefrieren dazu, dass sich vorhandenes Wasser schneller ausdehnt, als die Zelle es aufnehmen kann, wodurch die Zelle explodiert.

Um dies zu vermeiden, können Sie entweder Chemikalien einführen, um dies zu verhindern (was in aktuellen kryogenen Anlagen für Menschen der Fall ist) oder Sie können die Person langsam einfrieren. Leider würden beide 'Lösungen' eine lebende Person töten.

Viele Bakterien haben jedoch die Fähigkeit, in einen Zustand der „unterbrochenen Animation“ einzutreten, der es ihnen ermöglicht, Nahrungsmangel oder andere Bedingungen zu überleben, unter denen sie normalerweise nicht überleben könnten (als extremes Beispiel siehe http://www. csmonitor.com/Science/2011/0113/34-000-Jahr-alte-Bakterien-entdeckt-und-es-sind-noch-lebend).

Ich vermute, es läuft darauf hinaus, dass Bakterien einzelne, unabhängige Zellen sind und Menschen mehrzellige Organismen sind. Menschliche Zellen sind zum Überleben von anderen Teilen des Körpers abhängig (sie brauchen zum Beispiel den Blutkreislauf).


12 Untersuchungsideen mit biologischem Twist.

Keimexperimente und einfache Osmoselabore werden von Moderatoren allzu oft gesehen. Wenn Sie echtes persönliches Engagement zeigen möchten, muss Ihre Untersuchung einen "Twist" haben, der zeigt, dass Sie wirklich über etwas Biologie nachgedacht haben. Diese Ideen bieten Vorschläge für diese Art der Verbesserung einiger einfacher Laborideen, die Ihnen helfen, Ihr persönliches Engagement zu zeigen.

Frühjahrs-, Sommer- oder Herbstkeimung von Samen? Beeinflusst Licht die Samen je nach ihrer normalen Keimzeit unterschiedlich?

Die Wirkung abiotischer Faktoren auf die Keimung von Samen ist ein bisschen ein Standardlabor, die Methoden sind sehr einfach und zeigen nicht viel persönliches Engagement, es sei denn, die Schüler können der Untersuchung einen interessanten Dreh geben. Diese Idee ist eine Möglichkeit, genau das zu tun. Die Auswahl der Samen für das Experiment ist zu erforschen. Die Studierenden informieren sich über die normale Keimzeit der Samen, die Methode, mit der die Samen diese Keimzeit kontrollieren und testen anschließend die spezifische Wirkung von Licht auf die Keimung. Die Lichtfarbe (Rot / Dunkelrot etc.), die Lichtintensität oder die Tag-/Nachtlänge können interessante Faktoren sein, aber auch andere abiotische Faktoren, die der Jahreszeit angepasst sind. Biodynamische landwirtschaftliche Ideen könnten eine reiche Quelle möglicher Hypothesen sein, die ebenfalls getestet werden können.

Untersuchung einer Skarifikationsmethode bei der Keimung von Samen.

Bei der Skarifizierung wird die Hülle eines Samens geschwächt, geöffnet oder anderweitig verändert, um die Keimung zu fördern. Das Vertikutieren erfolgt oft mechanisch, thermisch oder chemisch. Einige mechanische Methoden beinhalten das Einschneiden, Schleifen oder Abschneiden eines Teils der Samenschale, damit Wasser in den inneren Teil gelangen kann, um die Keimung zu aktivieren. Chemische Methoden können Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid oder Alkohol verwenden. Die thermische Vertikutierung wird in der nächsten Idee ausführlich behandelt. Sie können YouTube durchsuchen, um eine Auswahl an Videos zu diesem Thema anzuzeigen.

Die Wirkung von Frost oder Winterkälte auf die Keimung von mehrjährigen Samen.

Einige Samen (Stauden) benötigen eine feuchte Kälte, bevor sie keimen. Sie bekommen dies auf natürliche Weise über den Winter in freier Wildbahn, aber Pflanzen, die auf natürliche Kälteschichtung angewiesen sind, produzieren normalerweise viele Samen, da der Prozess in der Natur zum Tod vieler Samen führt. Gärtner haben Möglichkeiten entwickelt, diese Bedingungen zu schaffen, um die Keimung sicherer zu fördern, die als kalte feuchte Schichtung bezeichnet wird. Jede der folgenden Methoden würde interessante Untersuchungen ermöglichen: Wie lange sollte diese Gefrierbehandlung dauern? Welche Mindesttemperatur ist erforderlich, um den "Gefriereffekt" zu erzielen?

Einweichen in kaltem Wasser: Geben Sie die Samen in ein Glas im Kühlschrank und wechseln Sie das Wasser häufig. Das soll wie Schneeschmelze sein, es soll Keimhemmer von den Samen wegspülen.

Kühlung: Samen in etwas sauberen Sand, sterile Erde oder Papiertücher mischen. Legen Sie diese in eine wiederverschließbare Plastiktüte in den Kühlschrank. Drei Monate sind eine gute Zeit, aber manchmal kommt man mit weniger, sogar mit 3 Wochen, durch.

Herbst-/Herbstpflanzung: Pflanzen Sie die Samen in Töpfe, bevor es zu kalt wird, und bedecken Sie den Topf mit etwas, das etwas Wasser eindringen lässt, aber nicht zu viel, und sie auch vor extremer Kälte schützt.

All dies wäre eine Verbesserung gegenüber den allzu üblichen "Faktoren, die die Keimung beeinflussen"-Experimente. Es ist besser, gezielt einen bestimmten biologischen Mechanismus zu untersuchen, als nur einen beobachteten Effekt zu beschreiben, ohne zu verstehen, warum dies geschieht.

Dieses Buch, Norman Deno, "Theorie und Praxis der Samenkeimung" (1993), ist bei Gärtnern in den USA gut bekannt. Es beschreibt viele Gründe und Mechanismen zur Verzögerung der Keimung, die von Samen verwendet werden. Anschauen lohnt sich.

Der Einfluss der Wassertemperatur oder anderer Aquarienbedingungen auf die Geschlechterverteilung der Nachkommen von Lebendgebärenden.

Es ist bekannt, dass die Bruttemperaturen von Eiern das Verhältnis von männlichen und weiblichen Küken, die schlüpfen, beeinflussen können, aber derselbe Faktor könnte das Geschlecht von Guppys oder anderen Fischen, die leicht in einem Aquarium gehalten und gefüttert werden können, beeinflussen. Guppys sind ideal, weil die männlichen und weiblichen Fische so unterschiedlich sind und sie sich leicht vermehren. Dieser Versuch müsste sorgfältig durchgeführt werden, um den Richtlinien für Tierversuche zu entsprechen, aber solange die Bedingungen im natürlichen Bereich der Fische liegen, wäre dies in Ordnung.

Die größte Herausforderung wäre die Zeit, die die Fische brauchen, um sich fortzupflanzen, und auch die Bedingungen, damit sich die Fische tatsächlich vermehren. Das Rauben der Jungfische kann auch eine Herausforderung sein, wenn sich andere Fische im Tank befinden, obwohl viel Vegetation dies reduzieren kann. Dies ist vielleicht eine Untersuchungsidee für einen Schüler, der bereits tropische Fische hält oder in einer Schule mit einem Laboraquarium ist.

Beeinflusst Ihre Blutgruppe die Häufigkeit von Insektenstichen oder die Schwere der Hautreaktion?

Dies ist eine weitere Untersuchungsidee, bei der Studierende auf die Einhaltung der IB-Tierversuchsrichtlinien achten müssen. Sie dürfen nicht planen, den Teilnehmern absichtlich Unbehagen oder Mücken zu bereiten. Ich könnte mir aber vorstellen, dass die Daten nach einer Abendveranstaltung erhoben werden, bei der Mücken irritieren und viele der Teilnehmer ihre Blutgruppe bereits kannten. Das bedeutet, dass es nicht für jeden eine Idee ist. Das Prinzip der Methodik ist interessant, obwohl es sein kann, dass Studenten, die Zugang zu einer Gruppe von Medizinern bei einem After-Work-Barbecue haben, die einzigen sein könnten, die es versuchen könnten.
Es könnte eine Datenbanktypuntersuchung sein, wenn die richtigen Daten gefunden werden. Es gibt viele Forschungen zu Malaria, die sich als nützlich erweisen können. Denken Sie auch daran, dass auch eine Hybridstudie möglich ist, bei der eine kleine Stichprobe experimenteller Daten durch einige Sekundärdaten ergänzt werden kann.

Der Einfluss der Körperposition auf Herzfrequenz und Blutdruck.

Der Barorezeptorreflex hilft, den Blutdruck auf einem nahezu konstanten Niveau zu halten. Der Baroreflex nutzt eine negative Rückkopplung, ein Anstieg des Blutdrucks bewirkt eine Senkung der Herzfrequenz und eine Senkung des Blutdrucks. Könnte die Position des Körpers den Blutdruck und damit die Herzfrequenz beeinflussen? Dies könnte eine interessante Untersuchung ergeben. Natürlich wird die Kontrolle anderer Faktoren, von denen bekannt ist, dass sie die Herzfrequenz beeinflussen, eine der Herausforderungen bei einer Untersuchung dieses Themas sein.

Datenanalyse der Körpertemperatur bei verschiedenen Personengruppen.

Wenn Sie eine gute Datenbank finden, die genügend Daten bereitstellt, um einen Teil davon auszuwählen (und so einige Variablen zu kontrollieren), könnte dies eine gute IA ergeben. Eine Hybrid-IA könnte experimentelle Daten mit einem in der biologischen Literatur veröffentlichten Datensatz vergleichen. Hier ist ein schönes Beispiel für einen Datensatz, Körpertemperaturdaten und es gibt viele weitere Vorschläge für Datensätze hier: Temperatur eines gesunden Menschen. Eine interessante Option könnte sein, zu testen, ob die in einem Experiment gemessenen Temperaturen einer Gruppe von Personen in Ihrer Schulgemeinschaft mit Daten übereinstimmen, die aus einem dieser Datensätze ausgewählt wurden. Beachten Sie, dass es interessante Unterschiede bei den "oralen" und "tympanischen" Maßen sowie bei jungen und alten Menschen, Männern und Frauen gibt, und wer weiß mehr. Es gibt viele Möglichkeiten, BMI und Temperatur, Essenszeiten, Tageszeit usw.

Testen der Wirksamkeit eines Shampoos, Anti-Tangle-Produkts oder Conditioners auf eine Haareigenschaft.

Es gibt viele Behauptungen von Herstellern von Haarprodukten, die in einer IA getestet werden könnten. Macht Conditioner Ihr Haar wirklich stärker, verhindert ein Produkt zur Lockerung von Verwicklungen wirklich Knoten oder reduziert die Reibung zwischen den Haaren? Während es bei IAs nicht erlaubt ist, Körperflüssigkeiten zu verwenden, wäre es akzeptabel, Ihr eigenes Haar zu testen. Um die Tierversuchsrichtlinien zu erfüllen, müssten die Haare ethisch einwandfrei gesammelt werden, ohne Schmerzen zu verursachen! Die Erforschung der Haarstruktur und die Verwendung eines Mikroskops zur Untersuchung von Haarveränderungen könnten ebenfalls ein nützlicher Teil dieses Experiments sein.

Sind die Grenzen der Herstelleranweisungen zuverlässig? Z.B. das IKEA Växer hydroponische Wachstumssystem.

Das Testen der Herstelleranweisungen für ein Anbausystem könnte eine interessante IA ergeben. Warum werden bestimmte Arten von LED-Leuchten empfohlen? Was ist die ideale tägliche Lichtdauer? Beeinflusst der Wechsel der im Wasser gelösten Chemikalien für das Hydrokultursystem das Pflanzenwachstum? Die Herausforderung dieser Untersuchung besteht darin, einen biologischen Grund dafür zu finden, dass eine veränderte Variable den vorhergesagten Effekt hat. Offensichtlich kann die Lichtintensität, die die Photosynthese beeinflusst, die Temperatur, die die Transpiration oder Enzyme beeinflusst, oder der Standort, der Dünger, die Art des verwendeten Wassers sein.

Was passiert nach dem Verfallsdatum bei Joghurt und anderen Milchprodukten?

Eine scheinbar einfache Frage, aber ein ziemlich komplexes Problem. Der erste zu entscheidende Aspekt wäre, aus welchem ​​Grund die Produkte ihre besten Zeiten hinter sich haben. Dies kann das Wachstum von Verderbnisbakterien, die Freisetzung von Enzymen, die natürlich Teil eines Reifungsprozesses sind, chemische Veränderungen aus einer anderen Ursache sein. Natürlich bräuchte es eine spezielle Forschungsfrage, aber diese würde sich wahrscheinlich aus der Lebensmittelauswahl und der Hintergrundforschung ganz selbstverständlich ergeben.


Forscher stellen die innere und äußere Struktur von Bakterien klar dar

Bildnachweis: Universität Leiden

Bakterien superschnell einfrieren, um ein naturgetreues Bild der inneren und äußeren Struktur zu erhalten. Ariane Briegel, Professorin für Ultrastrukturelle Biologie, kam eigens für diese Forschung nach Leiden. Die Universität Leiden ist eines der wenigen Institute weltweit, das über die notwendige Ausstattung verfügt. Antrittsvorlesung 13. Januar.

„Mikroben wie Bakterien sind überall um uns herum, aber sie sind zu klein, um sie zu sehen. Deshalb wissen wir so wenig über sie“, erklärt Briegel. Ihr Fachgebiet, die Ultrastrukturbiologie, konzentriert sich auf die Untersuchung biologischer Präparate mit hochauflösenden bildgebenden Verfahren. Briegel arbeitet hauptsächlich mit hochentwickelter Kryo-Elektronen-Tomographie. „Wir frieren die Bakterien superschnell ein – ein echter Flash-Freeze – damit die Probe in vollkommen klarem Eis eingeschlossen ist.“ Es geht so schnell, dass das Wasser in der Zelle keine Zeit hat zu kristallisieren. "Die Bakterien bleiben vollständig intakt und es gibt keine Fehler im Bild."

Bakterien in ihrem natürlichen Zustand

Die Probe wird dann unter ein fortschrittliches Elektronenmikroskop gelegt, wo sie herumgedreht wird. Briegel: „Dann machen wir 2D-Aufnahmen aus allen Blickwinkeln, von innen und außen, wie Aufkleber. Durch das Zusammenfügen können wir ein 3D-Bild des Bakteriums erstellen Krankenhäuser, wenn Patienten in einen Scanner gesteckt werden." Die Kombination dieser Techniken bietet eine völlig neue Sicht auf die Welt der Mikroben. "Kryo-Elektronen-Tomographie ist die erste Technik, um Bakterien in ihrem natürlichen Zustand zu betrachten, genau so, wie sie normalerweise aussehen."

Die Universität Leiden verfügt über zwei der fortschrittlichsten Mikroskope für die Elektronentomographie im niederländischen Zentrum für Elektronennanoskopie (NeCEN), das Teil des Instituts für Biologie ist. Es ist die einzige Einrichtung für diese Technik in den Niederlanden, und es gibt weltweit nur sieben Institute, die über diese Ausrüstung verfügen. Dies war eine einmalige Gelegenheit und ein sehr wichtiger Grund für Briegel, an die Universität Leiden zu kommen. „Dies ist die erste Methode auf dem Gebiet der Biologie, die es uns ermöglicht, die Struktur, das Äußere und das gesamte Innenleben von Mikroben zu sehen. Wir hoffen, dass es uns hilft, mehr über Bakterien zu erfahren: wie sie wachsen, wie sie sich vermehren, wie sie bewegen sich", kommentiert Briegel.

Eines der ersten Themen, auf das sich Briegel konzentriert, ist die Bewegung von Mikroben. Bakterien verwenden Signale aus ihrer Umgebung, wie das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter chemischer Substanzen, um zu bestimmen, wohin sie gehen müssen, zum Beispiel für Nahrung. „Wir kennen diesen Prozess, der Chemotaxis genannt wird, seit Jahrzehnten“, erklärt sie. „Was wir nicht wissen, ist, an welchen Strukturen die Bakterien die Signale erkennen. Oder: Wie sieht die ‚Nase‘ von Bakterien aus?“ Es besteht aus Tausenden von sehr empfindlichen Rezeptoren, die in einem Fischgrätmuster auf der Außenseite des Bakteriums angeordnet sind. „Jetzt wollen wir auch wissen, wie die ‚Nase‘ von pathogenen Bakterien wie dem Cholera-Bakterium aussieht. Wenn wir erst einmal eine klare Vorstellung davon haben, wie Bakterien ‚sehen‘, wo sie hin müssen, gibt uns das wahrscheinlich Hinweise darauf, wie man Infektionen verhindert."

Auch in ihrer Antrittsvorlesung setzt Briegel ein klares Zeichen für die Grundlagenforschung. "Die Tendenz besteht in erster Linie darin, Forschung zu betreiben oder zu finanzieren, die unmittelbare Ergebnisse liefert, wie Medikamente oder industrielle Anwendungen. Ich verstehe zwar, warum der Fokus auf diesen Dingen liegt, aber die Grundlagenforschung sollte darunter nicht leiden." Sie bezieht es auf ihre eigene Arbeit. Durch das Sammeln aller Arten grundlegender Informationen über Bakterien – wie sie aussehen, wie sie sich bewegen – können möglicherweise neue Wege zur Vorbeugung von Infektionen entwickelt werden. Sehr sinnvoll, angesichts der Zunahme antibiotikaresistenter Bakterien und der Tatsache, dass die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung aktueller Antibiotika nahezu ausgeschöpft sind. „Aber es ist möglich, wenn wir ein Bild von der Grundkomponente, dem Bakterium, haben. Wenn Forschungsgelder nur für Forschungen fließen, die sofortige Ergebnisse liefern, ist das, als würde man Forschern Scheuklappen aufsetzen. Dann weiß man nie, was man verpasst.“


Frost-Tau-Zyklen und warum wir es nicht tun sollten

Einfrieren-Auftauen – Sie wissen, dass es schlecht für Ihre Proben ist, nicht wahr? Während Ihrer Arbeit im Labor haben Sie höchstwahrscheinlich jemanden sagen hören: „Aliquotieren Sie Ihre Proteine/Zellen/DNA/RNA, um zu viele Einfrier-Auftau-Zyklen zu vermeiden.“ Aber verstehen Sie eigentlich warum?

Sie dachten wahrscheinlich, dass die Vermeidung von Frost-Tau-Zyklen etwas mit der Schädigung der Zellstruktur sowie der Proteine ​​oder DNA/RNA zu tun hat – und Sie haben Recht. Aber Sie werden vielleicht überrascht sein zu wissen, dass Gefrier-Auftau-Zyklen Ihre Proben auf verschiedene andere Weise beschädigen können, und wir verstehen nicht ganz, wie sie alle funktionieren.

Eine Beschädigung Ihrer Proben während Gefrier-Auftau-Zyklen kann Probleme mit nachgeschalteten Prozessen verursachen. Zum Beispiel können mehrere Runden des Einfrierens und Auftauens Proteinstrukturen beschädigen, was die Untersuchung der Proteinkinetik unter Verwendung von Oberflächenplasmonenresonanz beeinträchtigen kann. Selbst geringfügige DNA-Schäden können zu nicht interpretierbaren Daten der PCR führen.

Ihre Proben sind nicht das einzige Problem, wenn es um Gefrier-Auftau-Zyklen geht. Im Moment wird viel geforscht in die Kryokonservierung von Embryonen und Gameten. Menschen sind nicht die einzigen, die assistierte Reproduktionstechnologie verwenden. Tierhaltungsfachleute, Zoologen und andere nutzen assistierte Reproduktionstechnologie, um die landwirtschaftliche Produktion zu steigern oder den Erhalt gefährdeter Arten zu unterstützen. Viele Studien haben gezeigt, dass der Einfrier-Auftau-Prozess die DNA-Integrität in Spermien beeinträchtigen und auch die Embryonalentwicklung behindern kann.

Durch diese Forschung und jahrelange Experimente im Labor haben wir gelernt, dass eine Vielzahl von Faktoren für Schäden durch Frost-Tau-Wechsel verantwortlich sind.
Verschiedene Mechanismen verursachen Instabilität während Frost-Tau-Zyklen
Eiskristalle

Eiskristalle, die während des Gefrier-Auftau-Prozesses gebildet werden, können zum Aufbrechen der Zellmembranen führen. Schnelles Einfrieren führt zur Bildung von Eiskristallen in den äußeren Teilen der Zellen, wodurch sich das Innere der Zellen ausdehnt und gegen die Plasmamembran drückt, bis die Zelle platzt. Während langsames Abkühlen das Auswaschen von Wasser ermöglicht und die Bildung von Eiskristallen reduziert, führt langsames Abkühlen aufgrund eines Ungleichgewichts des osmotischen Drucks immer noch zum Aufbrechen der Zellen. Wenn Sie lebende Zellen oder Mikroorganismen einfrieren, können beide Prozesse die Lebensfähigkeit stark beeinträchtigen.
Gefrierkonzentration

Eiskristalle können nicht nur Zellen mechanisch schädigen, sondern auch eine Anreicherung der Salze und Proteine ​​im Puffer bewirken. Dieses Problem ist als Gefrierkonzentration bekannt und kann die Stabilität von Proteinen erheblich belasten. Obwohl der genaue Mechanismus der eisinduzierten Proteindenaturierung nicht vollständig verstanden ist, wissen wir jedoch, dass Veränderungen in der physikalischen Umgebung des Proteins zu Belastungen führen, die sich auf die Stabilität auswirken können. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die Gefrierkonzentration bei mehreren Proteinen, einschließlich Azurin, Leberalkoholdehydrogenase und alkalischer Phosphatase, eine Proteinentfaltung an der Eis-Wasser-Grenzfläche bewirkt.
Oxidativen Stress

Ein weiteres häufiges Problem, das als Folge mehrerer Einfrier-Auftau-Zyklen gesehen wird, ist oxidativer Stress, der durch verschiedene Mechanismen erzeugt werden kann. Durch Eiskristalle verursachte Schäden an Organellenstrukturen könnten zur Aktivierung von Rettungssystemen führen, die mit der Energiegewinnung verbunden sind. Dies führt zu einem nachfolgenden Anstieg des oxidativen Stresses und der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS, freie Radikale, die als Nebenprodukte von Reduktions-Oxidations- oder Redoxreaktionen produziert werden). Wenn das Gleichgewicht zwischen ROS und Antioxidantien verloren geht, führt oxidativer Stress zu molekularen Schäden an DNA, Proteinen und Lipiden in der Zelle. Einige Studien haben gezeigt, dass aufgetaute Zellen einen Anstieg an phosphoryliertem H2AX enthalten, einem Marker für Doppelstrangbrüche in der DNA.
Tipps zur Minimierung von Schäden durch Frost-Tau-Zyklen

Es gibt zwei Hauptmethoden, um die nach Frost-Tau-Zyklen auftretenden Veränderungen zu vermeiden:

Mach es nicht. Die einfachste und naheliegendste Lösung besteht darin, Frost-Tau-Zyklen zu verhindern. Wie ich gleich zu Beginn sagte, ist eine der besten Möglichkeiten, mehrere Einfrier-Auftau-Zyklen zu vermeiden, alles zu aliquotieren – Ihre Proben, Ihre Antikörper, Ihre Zellen und alles andere, was Ihnen einfällt.
Verwenden Sie Kryoschutzmittel. Fügen Sie zusätzlich zum Aliquotieren ein Kryoprotektivum zu Ihren Zellen/Proben/usw. hinzu. um die durch das Einfrieren verursachten Spannungen zu vermeiden.

Kryoschutzmittel, die eine wichtige Ergänzung zu Proben auf ihrem Einfrierweg darstellen, wurden erstmals 1949 in Großbritannien von Christopher Polge entdeckt. Er ergänzte versehentlich eine experimentelle Einfrierlösung mit Glycerin, was zum unerwarteten Überleben seiner experimentell eingefrorenen Zellen führte. Sie alle haben im Labor bestimmt etwas verwendet, dem zu diesem Zweck Glycerin zugesetzt wurde (z. B. Antikörper oder RNase). Sogar dem Frostschutzmittel für Ihr Auto ist Glycerin zugesetzt.

Es gibt zwei Hauptklassen von Kryoschutzmitteln:

Intrazelluläre Wirkstoffe. Diese Wirkstoffe dringen in die Zelle ein, um die Bildung von Eiskristallen und dadurch das Aufbrechen der Membran zu verhindern. Es gibt mehrere gängige Reagenzien, darunter Dimethylsulfoxid (DMSO), Glycerin und Ethylenglykol. Das am häufigsten im Labor verwendete Mittel ist DMSO, das eine hohe Zellüberlebensrate bietet. Einige Gruppen haben jedoch gezeigt, dass es die Stammzelldifferenzierung in neuronalen Zellen fördern kann. Außerdem kann DMSO bei Raumtemperatur zytotoxisch sein. Obwohl DMSO einige Nachteile haben kann, funktioniert es für die meisten Anwendungen gut genug.
Extrazelluläre Wirkstoffe. Diese Mittel dringen nicht in die Zellmembran ein, sondern wirken, indem sie den hyperosmotischen Effekt beim Einfrieren reduzieren. Übliche extrazelluläre Wirkstoffe umfassen Saccharose, Dextrose und Polyvinylpyrrolidon. In extrazellulären Mitteln (z. B. Saccharose) konservierte Zellen neigen nach dem Auftauen zu einer geringeren Lebensfähigkeit als DMSO-konservierte Zellen. Dies kann daran liegen, dass extrazelluläre Wirkstoffe die Bildung von Eiskristallen nicht verhindern.

Welche Methode Sie auch immer verwenden, Sie sollten sich immer der Veränderungen bewusst sein, die Sie während des Einfrierens und Auftauens in Ihren Proben verursachen. Besonders diejenigen, die nicht sichtbar sind – sie können Ihre Ergebnisse beeinflussen.


Pflanzen brauchen zum Wachsen mehr als nur Wasser und Sonnenlicht. Sie brauchen auch viele Nährstoffe im Boden gefunden. Einer der wichtigsten Nährstoffe für das Pflanzenwachstum ist Stickstoff-. Stickstoff wird verwendet, um Pflanzenproteine ​​und Nukleinsäuren, einschließlich DNA, aufzubauen.

Stickstoff kommt natürlicherweise in der Atmosphäre vor. Tatsächlich macht es etwa 78% der Atmosphäre aus! Aber diese Form von Stickstoff (N2) kann von Pflanzen nicht verwendet werden. Stickstoff kann chemisch mit Sauerstoff oder Wasserstoff kombiniert werden, um Arten von Stickstoffverbindungen zu bilden, die Pflanzen verwenden können. Diese Stickstoff Verbindungen kann dem Boden in Form von Ammonium (NH4 + ) und Nitrat (NO3 + ) Dünger. Pflanzen wachsen gut, wenn dem Boden stickstoffhaltiger Dünger zugesetzt wird, aber diese Methode kann teuer sein und muss jedes Mal wiederholt werden, wenn der Stickstoff im Boden aufgebraucht ist.

Bakterien zur Rettung! Bakterien sind kleine, einzellige Organismen, die in fast jeder Umgebung der Erde leben. Von der eisigen Kälte der Antarktis bis zur kochenden Hitze heißer Quellen im Yellowstone-Nationalpark sind einige dieser Organismen in der Lage, in extremen Umgebungen zu leben und haben viele erstaunliche Fähigkeiten. Einige Bakterienarten sind in der Lage, Milch in Käse zu verwandeln, während andere sich in weniger als 24 Stunden vermehren können. Rhizobien, die Bakterienart, die Sie in diesem Experiment untersuchen, kann den Stickstoff im Boden in nutzbare Stickstoffverbindungen wie Ammonium- und Nitrationen umwandeln. Das nennt man Stickstoff-Fixierung. Diese Bakterien können sich an den Wurzeln einiger Pflanzen festsetzen und kleine Wucherungen bilden, die als . bezeichnet werden Knötchen. Die Rhizobien erhalten Nährstoffe und Schutz durch die Pflanzenwurzeln und die Pflanzen werden mit Stickstoff gefüllt. Diese Art von gegenseitig vorteilhafter Beziehung wird als a . bezeichnet symbiotische Beziehung. Hülsenfrüchte, und insbesondere Klee, gehen leicht diese symbiotische Beziehung mit Rhizobien ein.

In diesem Experiment züchten Sie Kleepflanzen in Erde ohne Stickstoffzusatz, in Erde mit Zusatz von Stickstoffdünger und in Erde mit stickstofffixierenden Bakterien (in diesem Fall eine Rhizobienart namens Rhizobium legominosarium, oder R. legominosarium). Sie werden den Stickstoffgehalt in jeder Bodenart mit einem Stickstoff-Testkit überwachen. Sie werden die Auswirkungen von Stickstoff auf die Gesundheit der Kleepflanzen beobachten, indem Sie die Zunahme an messen Biomasse jeder Pflanze während des Experiments.


Aber ist es sicher?

Es gebe keine Hinweise darauf, dass das Nichtwaschen von Jeans gesundheitsschädlich sei, sagte Bernhard Redl, außerordentlicher Professor am Fachbereich Molekularbiologie der Universität Innsbruck in Österreich. Das heißt, wenn sie unter normalen Bedingungen getragen werden, wie zum Beispiel im Straßenalltag.

Bakterien, Hautzellen und Schweiß werden von unserem eigenen Körper auf unsere Hosen übertragen, aber "Mikroorganismen der Haut sind im Allgemeinen nicht gefährlich", sagte Rachel McQueen, Professorin für Humanökologie an der University of Alberta in Kanada. McQueens Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und den Erhalt von Gerüchen in Textilien.

“Es gibt Umgebungen, in denen sterile Kleidung wichtig ist,” McQueen. Das wäre zum Beispiel in einem Krankenhaus der Fall, wo Kleidung Infektionen übertragen kann. “Allerdings,”, fügte sie hinzu, “Das Desinfizieren der Hände wird hier ein wichtigeres Thema sein als das Waschen der Jeans.”

Vor einigen Jahren trug einer von McQueens Schülern seine Jeans 15 Monate lang ohne eine einzige Wäsche und testete dann den Bakteriengehalt an ihnen. Das Schüler-Lehrer-Team stellte überrascht fest, dass die ungewaschenen Jeans nach dem Waschen und anschließenden Tragen für weitere 13 Tage fast die gleiche Menge an Bakterien enthielten wie dieselbe Hose.

“Was ich gefunden habe, war nur normale Hautflora,” McQueen sagte der National Post im Jahr 2011. “Die Zahlen waren wirklich sehr ähnlich. Die Bakterienbelastung aus den abgetupften Bereichen war ziemlich gleich.”


Der Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien hat eine leuchtende neue Waffe

Eine neue chemische Sonde leuchtet in Gegenwart eines bakteriellen Enzyms, das zur Antibiotikaresistenz beiträgt. Kredit: Die University of Texas at Austin

Im ewigen Wettrüsten zwischen Bakterien und vom Menschen hergestellten Antibiotika gibt es ein neues Instrument, um der Humanmedizin einen Vorteil zu verschaffen, zum Teil durch das Aufdecken bakterieller Schwächen und möglicherweise durch gezieltere oder neue Behandlungen für bakterielle Infektionen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Texas in Austin hat chemische Sonden entwickelt, um ein Enzym zu identifizieren, das von einigen Arten von E. coli- und Pneumokokken-Bakterien produziert wird und von denen bekannt ist, dass sie mehrere gängige Arten von Antibiotika abbauen und diese Bakterien gefährlich resistent machen zur Behandlung.

"In response to antibiotic treatment, bacteria have evolved various mechanisms to resist that treatment, and one of those is to make enzymes that basically chew up the antibiotics before they can do their job," said Emily Que, assistant professor of chemistry and one of the leading researchers on the team. "The type of tool we developed gives us critical information that could keep us one step ahead of deadly bacteria."

In a paper published online yesterday in the Journal of the American Chemical Society, the researchers zeroed in on the threat posed by the bacterial enzyme called New Delhi metallo-beta-lactamase (NDM). They set out to create a molecule that glows when it comes into contact with the NDM enzyme. When these chemical probes are added to a test tube, they bind to the enzyme and glow. Such a tool could be used to alert doctors to what kind of bacterial threat is affecting their patients and tell them which antibiotics to use.

NDM breaks down antibiotics in the penicillin, cephalosporin and carbapenem classes, which are some of the safest and most effective treatments for bacterial infections. Other classes of antibiotics exist, but they may carry more side effects, have more drug interactions and may be less available in some parts of the world.

In addition to indicating the presence of the NDM enzyme, the florescent chemical probe developed by Que and Walt Fast, a professor of chemical biology and medicinal chemistry, may help find a different way to combat these resistant bacteria. One treatment option that doctors use with resistant bacteria is to combine common antibiotics and an inhibitor. Although there is no known clinically effective inhibitor for NDM-producing bacteria, Que's probe could help find one.

Once the probe has bound to the enzyme and begun to glow, if an effective inhibitor is introduced, it will knock the probe loose and the glow would stop. This allows scientists to test a high volume of potential drugs very quickly—research Que and Fast hope to continue in the future.

"This allows us to work towards developing therapies and eventually understanding evolutionary characteristics of such proteins," said Radhika Mehta, a recent UT Austin doctoral graduate and lead author on the paper. Mehta is currently a postdoctoral fellow in the Merchant Lab at the University of California, Berkeley.

The study also examined a process called nutritional immunity, which comes from the human body's production of proteins in response to an infection. The proteins snatch up all the available metals in the body, such as the zinc required to make NDM, rendering the bacteria more susceptible to attack.

"The evolution of this bacteria since its discovery in 2008 indicates that not only is it developing antibiotic resistance, it's attempting to combat this natural human immune process. That's particularly scary," Que said.

Que's probe can also be used to study nutritional immunity and NDM because it will glow only in the presence of the zinc needed to form the enzyme.


If heat kills bacteria, why can't you simply reheat all food, no matter how old?

If heat kills bacteria, then why are there so many guidelines for food safety? Couldn't you just reheat any food and kill that bacteria?

(obv this might impact taste, but it seems simpler than the complex food safety laws)

Sufficient heat will kill live bacteria, sterilizing the food as far as infection risk, however many food-borne pathogens create toxins as part of their metabolism and those toxins will remain even after killing the bacteria.

For example, the bacteria Clostridium botulinum produces botulinum toxin which is capable of blocking the release of acetylcholine, functioning as a neurotoxin [Nigam & Nigam, 2010].

Ähnlich, E coli is capable of causing infectious disease, but also may produce Shiga toxin, which can halt protein synthesis, killing or damaging cells even in the absence of live bacteria [Pacheco & Sperandio]

Also important, even if the toxin isn't particularly dangerous, it can still make your food taste pretty awful.

Both botulinum toxin and shiga toxins are easily destroyed by heat.

However certain strains of E.coli produce a group of "Heat-stable Enterotoxins."

Certain strains of Staphylococcus, for example MRSA, produce a heat stable toxin. Staphylococcus spcs. don't grow easily under refrigeration or under acidic conditions. Therefore staphylococcal food poisoning tends to be occur in certain foods that are kept for several days at room temperature, but don't have excess acidity.

E. coli [. ] may produce Shiga toxin

But isn't that thing living in our guts? What's protecting us from their toxins?

Falsch. Both toxins you described are protein-based, and will be destroyed by heat. Endotoxins such as lipopolysaccharide or teichoic acid are the ones capable of surviving heat.

But you can denature botulinum toxin and some forms of shiga toxin by heating them moderately. Obviously very high temperatures will destroy both.

Per the article, a minute at 150F will kill active bacteria, but a further 10 minutes at full boil are required to inactivate any toxins. However, the article also notes the risk of error in this procedure, along with flavor and quality issues.

Afaik, some toxins, e.g. the cereulides formed by Bacillus Cereus, can withstand even prolonged boiling, and even 121 °C for 90 minutes (source). So, just prolonged boiling will probably not destroy all toxins, but it will destroy the vast majority.

"If they’re still hot, start the cooling on the countertop. When the container is no longer hot to the touch, put it in the refrigerator, and cover it once the food is good and cold."

Why do people think you shouldn't put hot food in the fridge? (Especially since the author doesn't even cover it until it's cold.) This is the weirdest wive's tale I know of.

Edit: Yes, I agree that ice-baths are much faster than fridge-cooling or counter-cooling. (Even better: put the food in an ice bath in the fridge, then you don't have to remember to move the food after it cools.)

Edit 2: Before someone mentions it, counter-cooling does make sense if you need to stack your hot food in the freezer with stuff you don't want temporarily thawed.

The incident with the Japanese family related in this article sounds like a rare case. I've frequently left rice out for even a couple days and have never gotten food poisoning from anything. Many cultures leave out foods all day or over night-- Before meat was refrigerated, people used to leave out fresh meat for a up to several days-- cutting off the parts that seemed to be turning green.

Obviously, a lot of this is probably based on tolerance, which could be attributed to genetics or lifestyle. Infants and elderyly will be far more susceptible to food-borne illnesses, as well as those who have lived a very sterile life. Like the article says, the FDA's food handling instructions are VERY conservative and if followed well will leave very little margin for food to make people sick. I think this is incredibly important in commercial establishments, particularly since there is so much food being prepared, and the clientele will have highly varied tolerances.

I could see it being the case that foods that some people are perfectly health with, could cause other people serious problems, though-- so it's best to be safe, obviously.


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