Zahnbürste erzeugt beim Putzen Strom und tötet Kariesbakterien
Eine Zahnbürste erzeugt beim Putzen Strom gegen Kariesbakterien und verringert in einem Test mit 115 Erwachsenen Plaque am Zahn.
Bakterien (Einzahl: Bakterium) sind einzellige Lebewesen ohne Zellkern, meist nur wenige Mikrometer groß und damit mit bloßem Auge unsichtbar. Sie gehören zu den ältesten Lebensformen der Erde und besiedeln nahezu jeden Lebensraum, vom Tiefseeboden über heiße Quellen bis zum menschlichen Darm. Die allermeisten Arten sind harmlos oder sogar lebenswichtig, einige verursachen jedoch gefährliche Infektionen, die wegen zunehmender Antibiotikaresistenzen immer schwerer zu behandeln sind.
Ohne Bakterien gäbe es weder fruchtbare Böden noch Sauerstoff in der Atmosphäre in heutiger Menge, weder Joghurt noch Sauerkraut. Im menschlichen Körper leben etwa so viele Bakterienzellen wie körpereigene Zellen. Gleichzeitig zählen bakterielle Infektionen weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Diese Doppelrolle macht Bakterien zu einem der wichtigsten Forschungsfelder von Biologie und Medizin.
Anders als Pflanzen, Tiere und Pilze besitzen Bakterien keinen Zellkern und keine von Membranen umhüllten Organellen wie Mitochondrien. Ihr Erbgut liegt meist als ringförmiges Chromosom frei im Zellplasma, in einem Bereich namens Nukleoid. Zusätzlich tragen viele Bakterien kleine DNA-Ringe, sogenannte Plasmide, auf denen häufig Resistenzgene sitzen. Die Zelle ist von einer Zellmembran und meist von einer stabilen Zellwand aus Peptidoglykan umgeben, einem Netz aus Zucker- und Aminosäurebausteinen. Viele Arten bewegen sich mit fadenförmigen Geißeln fort oder heften sich mit feinen Fortsätzen, den Pili, an Oberflächen.
Nach ihrer Form unterscheidet man kugelförmige Kokken, stäbchenförmige Bazillen, gebogene Vibrionen sowie schraubenförmige Spirillen und Spirochäten. Ein klassisches Unterscheidungsmerkmal ist die 1884 von Hans Christian Gram entwickelte Gram-Färbung. Grampositive Bakterien wie Staphylokokken haben eine dicke Peptidoglykanschicht und färben sich violett. Gramnegative Bakterien wie Escherichia coli besitzen eine dünne Zellwand mit einer zusätzlichen äußeren Membran, die viele Antibiotika abhält.
Bakterien vermehren sich ungeschlechtlich durch Zweiteilung: Die Zelle verdoppelt ihr Erbgut und schnürt sich in zwei identische Tochterzellen ab. Unter idealen Bedingungen geschieht das bei Escherichia coli etwa alle 20 Minuten, sodass aus einer Zelle binnen weniger Stunden Millionen werden. In der Natur bremsen Nährstoffmangel, Temperatur und Konkurrenz dieses Wachstum stark. Manche Arten legen dann sogar Nährstoffspeicher für Hungerzeiten an.
Trotz ungeschlechtlicher Vermehrung tauschen Bakterien Erbgut aus, auch über Artgrenzen hinweg. Bei der Konjugation wandern Plasmide über eine Zellbrücke von einer Zelle zur anderen, bei der Transformation nehmen Bakterien freie DNA aus der Umgebung auf, bei der Transduktion übertragen Viren Gene. Dieser horizontale Gentransfer erklärt, warum sich Antibiotikaresistenzen so schnell ausbreiten. Einige Gattungen wie Bacillus und Clostridium bilden zudem extrem widerstandsfähige Sporen, die Hitze, Trockenheit und Strahlung über lange Zeit überstehen.
Kein anderes Lebewesen ist so vielseitig im Stoffwechsel. Cyanobakterien betreiben Photosynthese und reicherten vor rund 2,4 Milliarden Jahren erstmals Sauerstoff in der Erdatmosphäre an. Knöllchenbakterien an den Wurzeln von Hülsenfrüchten binden Stickstoff aus der Luft und machen ihn für Pflanzen verfügbar. Andere Arten gewinnen Energie aus Schwefelverbindungen, Eisen oder Wasserstoff und leben ohne Licht und ohne Sauerstoff. Zersetzende Bakterien bauen abgestorbenes organisches Material ab und schließen so die Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor.
Wie groß ihre Bedeutung ist, zeigt eine Bilanz der gesamten Biomasse der Erde in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Danach entfallen auf Bakterien rund 70 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, mehr als auf alle Tiere zusammen und nach den Pflanzen der zweitgrößte Anteil. Ein Großteil davon lebt tief im Untergrund. Nur ein kleiner Teil aller Bakterienarten ist überhaupt beschrieben, weil sich die meisten nicht im Labor kultivieren lassen. Erst die Analyse von Erbgut direkt aus Umweltproben zeigt die tatsächliche Vielfalt.
Eine viel zitierte Schätzung sprach lange von zehnmal mehr Bakterien als Körperzellen. Eine Neuberechnung in PLOS Biology kam 2016 auf rund 38 Billionen Bakterien bei etwa 30 Billionen menschlichen Zellen, also ein Verhältnis von ungefähr eins zu eins. Die meisten leben im Dickdarm und bilden zusammen mit Archaeen, Pilzen und Viren das Darmmikrobiom. Es hilft bei der Verdauung von Ballaststoffen, bildet Vitamine wie Vitamin K und trainiert das Immunsystem. Wie empfindlich dieses Gleichgewicht ist, zeigt eine Studie, nach der Antibiotika das Darmmikrobiom bis zu acht Jahre lang verändern können.
Den Nachweis, dass Bakterien Krankheiten auslösen, erbrachte Robert Koch: 1876 für den Milzbrand, 1882 für die Tuberkulose. Bis heute zählen Tuberkulose, Lungenentzündung durch Pneumokokken, Blutvergiftung, Cholera und Lebensmittelinfektionen durch Salmonellen oder Campylobacter zu den wichtigsten bakteriellen Erkrankungen. Mit dem 1928 von Alexander Fleming entdeckten Penicillin begann das Zeitalter der Antibiotika, die Millionen Leben gerettet haben.
Dieser Erfolg ist gefährdet. Laut dem Resistenzbericht der Weltgesundheitsorganisation war 2023 weltweit etwa jede sechste im Labor bestätigte bakterielle Infektion resistent, bei Harnwegsinfektionen sogar etwa jede dritte. Nach einer Analyse in The Lancet starben 2021 rund 1,14 Millionen Menschen direkt an resistenten Bakterien, an weiteren 4,71 Millionen Todesfällen waren sie beteiligt. Ohne Gegenmaßnahmen rechnen die Autoren für 2025 bis 2050 mit mehr als 39 Millionen direkten Todesfällen. Auch der Klimawandel spielt hinein, denn Dürren begünstigen laut einer Studie Infektionen mit resistenten Bakterien.
Als besonders bedrohlich gelten gramnegative Erreger wie Klebsiella pneumoniae und Acinetobacter, gegen die teils nur noch Reserveantibiotika wirken. Laut WHO-Bericht war Acinetobacter 2023 weltweit in mehr als der Hälfte der untersuchten Fälle gegen Carbapeneme resistent, eine der letzten Antibiotika-Reserven. Resistente Keime finden sich längst auch außerhalb von Kliniken, etwa in fast allen Seen Deutschlands.
Milchsäurebakterien machen aus Milch Joghurt und Käse und aus Kohl Sauerkraut. In Kläranlagen bauen Bakterien Schadstoffe aus dem Abwasser ab. Gentechnisch veränderte Escherichia coli produzieren seit den 1980er-Jahren menschliches Insulin. Aus einem bakteriellen Abwehrsystem gegen Viren entwickelten Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna die Genschere CRISPR-Cas9, wofür sie 2020 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Mit dieser Technik lässt sich sogar ein kompletter Film im Erbgut von Bakterien speichern.
Das größte bekannte Bakterium, Thiomargarita magnifica, wurde in Mangrovensümpfen der Karibik entdeckt und ist mit bis zu rund 2 Zentimetern Länge mit bloßem Auge sichtbar. Laut der Beschreibung in Science verpackt es sein Erbgut sogar in membranumhüllte Bläschen, was lange als Merkmal höherer Zellen galt. Fossile Spuren mikrobiellen Lebens, etwa geschichtete Kalkablagerungen namens Stromatolithen, reichen mehr als 3,4 Milliarden Jahre zurück. Bakterien besiedelten die Erde damit Milliarden Jahre vor den ersten Tieren und Pflanzen.
Was ist der Unterschied zwischen Bakterien und Viren?
Bakterien sind eigenständige Lebewesen mit eigenem Stoffwechsel, die sich selbst vermehren. Viren sind viel kleiner und können sich nur in Wirtszellen vermehren. Antibiotika wirken deshalb gegen Bakterien, nicht aber gegen Viren.
Wie viele Bakterien leben im menschlichen Körper?
Nach der aktuellen Schätzung rund 38 Billionen, etwa so viele wie Körperzellen. Die meisten davon leben im Dickdarm.
Wo findet man Bakterien?
Praktisch überall: im Boden, im Meer und im Süßwasser, in der Luft, auf Pflanzen und Tieren sowie auf der Haut und im Darm des Menschen. Selbst in heißen Quellen, im ewigen Eis und kilometertief im Gestein der Erdkruste leben Bakterien.
Was ist die Dauerform einer Bakterie?
Einige Bakterien wie Bacillus und Clostridium bilden bei Nährstoffmangel Endosporen. Diese Dauerformen haben kaum Stoffwechsel, überstehen Hitze, Trockenheit und Desinfektionsmittel und keimen wieder aus, sobald die Bedingungen günstig sind.
Sind alle Bakterien schädlich?
Nein. Nur ein kleiner Teil der Arten verursacht Krankheiten. Die meisten sind harmlos, viele sind für Verdauung, Böden und Stoffkreisläufe unverzichtbar.
Warum werden Antibiotika unwirksam?
Durch Mutationen und den Austausch von Resistenzgenen überleben einzelne Bakterien eine Behandlung und vermehren sich weiter. Häufiger und unsachgemäßer Antibiotikaeinsatz in Medizin und Tierhaltung beschleunigt diese Auslese.
