Mikroorganismenkultur

Grundidee und Einsatz

Eine Mikroorganismenkultur entsteht, wenn Mikroorganismen in einem geeigneten Kulturmedium unter kontrollierten Bedingungen wachsen und sich durch Zellteilung vermehren. Wichtige Bedingungen sind etwa eine bestimmte Temperatur sowie die Anwesenheit oder das Fehlen von Sauerstoff. Kulturen ermöglichen es, Organismen aus Proben zu isolieren und näher zu untersuchen, zum Beispiel Bakterien aus einer Bodenprobe oder Krankheitserreger aus medizinischem Material.

Mikroorganismenkulturen werden in der Biotechnologie genutzt, etwa zur Herstellung von Enzymen und Vitaminen. In der Pharmazeutischen Biotechnologie können sie Antibiotika produzieren. Außerdem dienen sie der Gentechnik, um gentechnisch veränderte Organismen mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen.

Rein- und Co-Kulturen

Eine Reinkultur, auch axenische Kultur, enthält einen Klon eines bestimmten Organismus und keine Individuen anderer Arten oder Stämme. Unerwünschte Organismen heißen Kontaminanten. Reinkulturen sind wichtig, weil nur mit ihnen standardisierte Bedingungen eingehalten und metabolische sowie physiologische Eigenschaften eines Mikroorganismus untersucht werden können. Metabolische Eigenschaften betreffen den Stoffwechsel, physiologische Eigenschaften die Lebensvorgänge eines Organismus.

Nicht alle Mikroorganismen können allein kultiviert werden. Manche benötigen andere Organismen wegen gegenseitiger Abhängigkeiten und leben beispielsweise in Konsortien, also Gemeinschaften verschiedener Mikroorganismen. Die gemeinsame Kultivierung solcher Gemeinschaften heißt Co-Kultivierung und entspricht einer mikrobiellen Mischkultur. Viren können nur zusammen mit ihren Wirten oder Wirtszellen kultiviert werden.

Anreicherungskultur

Eine Anreicherungskultur schafft Bedingungen, unter denen ein bestimmter Mikroorganismus oder eine physiologische Gruppe besser wächst als andere Organismen. Dadurch werden die gewünschten Mikroorganismen selektiv angereichert, während andere langsamer wachsen oder gehemmt werden. Dies dient ihrem Nachweis oder der Nutzung ihres Stoffwechsels.

Anaerobe Mikroorganismen aus Bodenproben lassen sich beispielsweise anreichern, indem Sauerstoff ausgeschlossen wird. Listerien werden zum Nachweis bei 4 °C vier bis acht Wochen lang in einer Nährbouillon angereichert. Diese Kälteanreicherung erfolgt vor dem Ausstreichen auf einen Nährboden.

Auch in Belebtschlammbecken biologischer Kläranlagen werden bestimmte Mikroorganismen gefördert und andere unterdrückt. So können gewünschte Stoffumsetzungen genutzt oder Belebtschlammflocken beeinflusst werden, etwa durch Förderung von Zoogloea sp. Das Prinzip der Anreicherungskultur entwickelten Martinus Willem Beijerinck und Sergei Nikolajewitsch Winogradski unabhängig voneinander.

Flüssigkultur

Bei einer Flüssigkultur wachsen Mikroorganismen in flüssigen Nährmedien. Die Gefäße werden meist automatisch geschüttelt, damit die Kultur gut mit Sauerstoff versorgt und durchmischt wird. Erlenmeyerkolben können dafür Schikanen besitzen: nach innen gerichtete Vorsprünge, die die Durchmischung verstärken.

Flüssigkulturen eignen sich besonders für größere Mengen, beispielsweise zur Verwendung in einem Bioreaktor bei biotechnologischen Produktionsverfahren. Kleine Flüssigkulturen werden häufig in Reagenzgläsern beziehungsweise Kulturröhrchen angelegt. Sie können zur Quantifizierung von Mikroorganismen mit der Methode der „Wahrscheinlichsten Anzahl“ („Most Probable Number“, MPN-Verfahren) dienen. Außerdem lassen sich damit Stoffwechselleistungen prüfen, um Mikroorganismen im Rahmen einer „Bunten Reihe“ zu identifizieren.

Gel-Nährböden und Verdünnungsausstrich

Ein Gel-Nährboden entsteht, wenn einem Kulturmedium eine gelierende Substanz zugesetzt wird, die dem Organismus nicht als Nahrung dient. Das häufigste Geliermittel ist Agar (Agar-Agar); weitere Verfestiger sind Gelatine, Gelrite und Kieselgel. Mikroorganismen können auf der Oberfläche oder im Inneren des Gels wachsen.

Da sich die meisten Mikroorganismen auf oder in solchen Nährböden nicht fortbewegen können, bilden sie Kolonien. Dies hilft bei der Herstellung von Reinkulturen, bei Untersuchungen kleiner Mengen und bei der Quantifizierung von Mikroorganismen.

Beim fraktionierten Verdünnungsausstrich wird eine mikrobielle Probe mit einer Impföse slalomartig auf einem gelierten Nährboden verteilt. Nach jeweils zwei Unterbrechungen wird die Impföse sterilisiert und eine neue Fraktion begonnen; dabei kreuzt sie jeweils das Ende der vorherigen Fraktion. So nimmt die Zahl der übertragenen Zellen ab, bis Einzelkolonien entstehen. Diese gehen aus einer einzelnen Zelle oder wenigen gleichartigen Zellen hervor.

Form, Oberfläche, Randbegrenzung und Farbe von Einzelkolonien können auf Differentialnährböden Hinweise zur Identifizierung geben. Escherichia coli bildet auf Endo-Agar beispielsweise kugelrunde, dunkelviolettrote und metallisch glänzende Einzelkolonien. Für eine genaue Identifizierung sind jedoch weitere Tests und in schwierigen Fällen DNA-Analysen nötig. Durch Entnahme und weiteres Ausstreichen einer Einzelkolonie kann eine Reinkultur gewonnen werden; stammt sie von einem Individuum ab, ist sie ein Klon.

Kulturen von Prokaryoten, Eukaryoten und Viren

Prokaryotenkulturen betreffen Bakterien (Bacteria) und Archaeen (Archaea). Die Kulturtechniken sind grundsätzlich auf beide Domänen anwendbar. Praktisch werden jedoch häufiger Bakterien kultiviert, weil viele Archaeen Extremophile sind und an extreme Biotope angepasst leben. In der Medizinischen Mikrobiologie dient die diagnostische Bakterienkultur dem Nachweis und der Identifizierung von Krankheitserregern sowie der Untersuchung ihrer Eigenschaften, etwa ihrer Antibiotikaempfindlichkeit. Mit einem Surface-viable Count lässt sich die Zahl koloniebildender Einheiten in einer Probe bestimmen.

Zellkultur bezeichnet die Kultivierung tierischer oder pflanzlicher, also eukaryotischer Zellen in einem Nährmedium außerhalb des Organismus. Hefen und Schimmelpilze bestehen ebenfalls aus eukaryotischen Zellen, werden aber wie Bakterien mikrobiologisch kultiviert und bilden Kolonien auf festen Nährmedien.

Viren benötigen für ihre Vermehrung geeignete Wirtszellen. Deshalb werden sie in Kulturen passender eukaryotischer Zellen vermehrt; Bakteriophagen benötigen entsprechend passende Bakterienzellen.