Wie vermehren sich Bakterien?

Bakterien sind einzellige Mikroben und eine der einfachsten Lebensformen auf der Erde. Da sie nur ein einziges DNA-Chromosom enthalten, fehlen ihnen ein Kern oder andere Organellen, die in den meisten eukaryotischen Zellen vorkommen. Um sich zu replizieren, durchlaufen Bakterien den Prozess der binären Spaltung, bei der eine Bakterienzelle an Größe zunimmt, ihre DNA kopiert und sich dann in zwei identische "Tochterzellen" aufspaltet. Bakterien können auch DNA durch Konjugation austauschen, was es ihnen ermöglicht, Eigenschaften zu teilen, die Umweltstress wie Antibiotika überwinden.

Eine Bakterienzelle ist ein äußerst einfacher Prokaryot, das heißt, sie enthält keinen Zellkern. Ein Bakterium enthält nur eine Zellwand, Zellmembran, Zytoplasma, Ribosomen und das Chromosom, obwohl einige Bakterienzellen enthalten auch ein Plasmid oder extrazelluläre Strukturen wie eine Kapsel, Fimbrien und Geißeln. Im Gegensatz zu einer eukaryotischen Zelle, die einen Kern besitzt, durchläuft ein Bakterium während der Replikation keine Mitose, bei der sich der Kern aufspaltet und die DNA in zwei identische Sätze verteilt wird. Stattdessen vermehren sich Bakterien durch binäre Spaltung, einen Replikationsprozess, der die DNA der Bakterien kopiert und eine einzelne Zelle in zwei identische Tochterzellen aufspaltet. Die Vereinfachung des Fortpflanzungsprozesses von Bakterien ermöglicht es Bakterien, sich in einem bemerkenswert schnellen Tempo zu vermehren. Unter den richtigen Bedingungen kann sich eine einzelne Bakterienzelle in nur 10 Stunden in bis zu einer Milliarde einzelne Bakterien replizieren.

Die binäre Spaltung ist ein streng kontrollierter Prozess, der ein Bakterium gleichmäßig in zwei vollständige Tochtergesellschaften aufspaltet, indem spezifische Proteine ​​verwendet werden, die für die Replikation entwickelt wurden. Die binäre Spaltung beginnt mit einer Replikation der DNA des Bakteriums. Sobald die DNA innerhalb des Chromosoms repliziert ist, ordnet sich das Chromosom in zwei Replikationsgabeln an und teilt sich dann an gegenüberliegende Enden der Zelle auf. An der Teilungsstelle, in der Nähe des Zentrums des länglichen Bakteriums, wird die Teilungsmaschinerie aufgebaut, insbesondere der Proteinring FtsZ. Sind die Teilungselemente zusammengesetzt, synthetisiert das Bakterium an der Teilungsstelle mithilfe der Zellmembran eine neue Zellwand und spaltet sich in zwei identische Tochterzellen auf. Die Tochterzellen sind Klone, die mit dem ursprünglichen Bakterium in jeder Hinsicht identisch sind.

Bakterien haben die Fähigkeit, ihre genetische Struktur durch die Übertragung von Plasmiden zu verändern, eine kleine zirkuläres DNA-Molekül, das genetische Informationen enthält, die es dem Bakterium ermöglichen, Umwelteinflüsse zu überwinden betont. Plasmide werden entweder von einem Bakterium aus seiner Umgebung aufgenommen oder durch einen Prozess namens Konjugation von Bakterien zu Bakterien weitergegeben. Dies ermöglicht es ihnen, sich an das Leben in feindlichen Umgebungen anzupassen, die vom arktischen Schnee bis zum Meeresboden reichen. Es ermöglicht ihnen auch, Resistenzen gegen künstlichen Stress wie Antibiotika zu entwickeln. Ein Plasmid wird während des Teilungsprozesses nicht immer replizieren; gelegentlich werden sie nur an eine der Tochterzellen weitergegeben. Plasmide replizieren über einen Abschnitt ihrer eigenen DNA, der die Replikation durch die Elternbakteriumszelle gewährleistet, und können sogar unabhängig vom Bakterium replizieren. Ein einzelnes Bakterium kann Hunderte von replizierten Plasmiden enthalten.

Bakterien sind extrem vielfältig und einige Bakterienformen replizieren sich nicht durch binäre Spaltung. Die Cyanobakterien Stanieria replizieren innerhalb der Zellwand und produzieren Dutzende oder sogar Hunderte von Nachkommen, die Baeozyten genannt werden. Die Zellwand reißt auf und alle Baeozyten werden gleichzeitig freigesetzt. Bei Epulopiscium bilden sich aus der replizierten DNA innerhalb einer größeren Mutterzelle zwei kleine Nachkommenzellen. Wenn die Nachkommen voll entwickelt sind, stirbt die Mutterzelle ab und setzt zwei komplette Bakterienzellen frei. Ein Fortpflanzungsprozess namens Knospung wurde auch bei einigen Mitgliedern der Planctomyceten beobachtet, aber die Mechanismen dieses Prozesses sind noch unbekannt.