Bakteriologia - kurs rozszerzony Flashcards
1
Q
mikroorganizmy (definicja)
A
to jednokomórkowe organizmy widoczne pod mikroskopem
2
Q
formy niejednokomórkowe zaliczane do drobnoustrojów to.. (3)
A
- wirusy
- priony
- mobilne elementy genetyczne
3
Q
Grupy drobnoustrojów (4) i ich przykłady
A
- prokariotyczne - bakterie, archeony
- eukariotyczne - mikroskopijne grzyby (pleśnie, drożdże, drożdżopodobne), śluzorośla (ameboidalne)
- protista - glony, pierwotniaki
- wirusy
4
Q
wirusy (charakterystyka - 11)
A
- małe organizmy
- proste struktury
- genom to DNA lub RNA
- występują białka strukturalne i wyjątkowo enzymy
- brak aktywności metabolicznej
- zależne od żywicieli
- swoistość i specyficzność
- reprodukcja tylko w żywych komórkach
- patogeny
- fagi drobnoustrojów (pozytywny aspekt) - np. bakteriofagi, algofagi, wirofagi, fungifagi
- to ustroje skrajnie pasożytnicze, które powstały na drodze ewolucji degeneratywnej - nastąpiła redukcja genów i zdolności do bycia samodzielną komórką
5
Q
Mikroby (występowanie)
A
Występują wszędzie - w środowiskach wodnych, lądowych, w powietrzu (ale jest to środowisko przejściowe służące jako miejsce transportu) oraz kolonizują żywicieli.
6
Q
Endolity (charakterystyka - 4)
A
- to skalne pokłady obfitujące w mikroby
- to obecność żywych układów drobnoustrojów w skałach i ich szczelinach lub porach, w których znajduje się woda
- głównie występują grzyby pleśniowe, drożdże, drożdżopodobne, bakterie i archeony
- np. Bacillus infernus - hipertermofil, 20m-2,8km pod ziemią
7
Q
rozmiary mikroorganizmów
A
0,1 mikrona - 500 mikronów
Wyjątek:
- olbrzymy > 0,7 mm
np. Epulopiscium fishelsoni, Thiomargarita namibiensis - nanoby - najmniejsze
8
Q
nanoby (charakterystyka - 12)
A
- najmniejsze z drobnoustrojów: 0,01-0,6 mikronów
- określane jako ultramikroby, nanoformy, wapniejące nanocząstki, nanoby
- ich transmisja jest szybka i łatwa - odbywa się za pośrednictwem powietrza, asteroid, międzygwiezdnego pyłu, kurzu, chmur.
- wykazują wysoką tolerancję na czynniki antymikrobiologiczne, środowiskowe
- wykazują wolny metabolizm i wzrost - czas generacji to 3 dni
- w hodowlach tkankowych po 30 dniach pojawiają się w formie mlecznego biofilmu
- pleomorfizm
- budową zbliżone do Gram-ujemnych
- zdolne do przechodzenia przez filtry
- nieliczne wydzielają węglan apatytu
- chorobotwórcze dla ludzi i zwierząt - występuje latentność
- możliwy polimorfizm
9
Q
nanoby (występowanie)
A
Powszechnie występują w glebie, wodzie, stratosferze, ekstremalnych środowiskach, galaktyce. Izoluje się je również z ludzi i zwierząt, ze ścieków i zanieczyszczonych wód.
10
Q
nanoby (wymagania wzrostowe - 2)
A
- wysokie w warunkach in vitro
2. hodowle tkankowe lub komórkowe - surowica 37stC w 5% CO2 atmosferycznego
11
Q
nanoby są oporne na… (3)
A
- wysuszenie i wysoką temperaturę
- promieniowanie UV
- środki dezynfekcyjne i antyseptyki
12
Q
nanoby są wrażliwe na… (3)
A
- 3mR promieniowania jonizującego
- gotowanie przez 30 min
- chemioterapeutyki - tetracykliny i sulfonamidy
13
Q
nanoby (chorobotwórczość - 5)
A
- kamica nerkowa - nerfotropizm
- wielotorbielowatość nerek
- choroby wzrostowe układu moczowo-płciowego
- choroby naczyniowo-sercowe
- powstawanie raka
14
Q
nanoby uczestniczą w procesach takich jak… (3)
A
- procesy chorobotwórcze - miażdżyca tętnic, kamica miazgi zębowej, zapalenia przyzębia
- procesy geochemiczne - mineralizacja, skałotwórczość [mineralizacja, kalcyfikacja], glebotwórczość, korozja metali [rdzewienie żelaza, zielenienie miedzi, rozpuszczanie glinu], tworzenie kamienia kotłowego [niedrożność rur]
- procesy żywych organizmów - konstruowanie skorupek pierwotniaków, muszli mięczaków, skorupek jaj ptaków
15
Q
nanoby (przykłady - 2)
A
- Nanoarchaeum equitans
2. Nanobacterium sanguineum
16
Q
nanoby (przykład współżycia)
A
Ignicoccus spp.(archea) i Nanoarcheoum equitans (nanob)
- Ignicoccus spp. to termofilny autotrof (źródło energii z przemian H2 lub S), Gram-ujemny ziarniak, charakterystyczna ściana komórkowa, której błona zewnętrzna z dużą przestrzenią peryplazmatyczną
- Nanoarchaeum euitans to terfmofilny archeon, posiada zredukowany genom, występuje warstwa S na powierzchni i w peryplazmie pod błoną zewnętrzną, jego tryb życia wymaga żywiciela jako źródło energii i węgla - pasożyt lub interakcja symbiotyczna
17
Q
etapy przeprowadzania badań (5)
A
- obserwacja i pytania
- hipoteza
- zaplanowanie doświadczenia
- powtórzenie eksperymentu
- odrzucenie, modyfikacja lub przyjęcie hipotezy
18
Q
3 domeny w świecie żywym to…
A
- bakterie
- archea
- eukariota
19
Q
Archaea [charakterystyka]
A
- Większość to beztlenowce, nieliczne halofile tlenowe
- Brak peptydoglikanu w ścianie komórkowej
- Zajmują ekstremalne środowiska np. jelito grube
20
Q
3 główne grupy fizjologiczne Archaea
A
- Metanogeny (przeprowadzają syntezę metanu ze związków mineralnych m.in. CO2 i H2 (uboczny produkt metaboliczny innych bakterii – symbioza))
- Halofile (przetrwają w wysokich stopniach zasolenia np. oceany, solanki)
- Hipertermofile (wykrywane w gorących środowiskach, np. gejzery, podłoża wulkaniczne, hydrotermalne kominy dna oceanu)
21
Q
przykłady Archaea [3]
A
- Methanosarcina barkeri
- Methanococcus janaschii
- Methanobacterium thermo
22
Q
Od chwili pojawienia się na Ziemi organizmy komórkowe podlegają nieustannie ewolucji objawiającej się poprzez…
A
- selekcję
- zmienność rekombinacyjną i mutacje
23
Q
współczesna eukariotyczna koncepcja gatunku [3]
A
- fenetyczna koncepcja (PhCS - pochodząca od wspólnego przodka, bazująca na cechach fenotypowych),
- ewolucyjna koncepcja (ECS - powstanie odrębnych taksonów rozdzielonych w czasie i przestrzeni),
- polifilogenetyczna (PCS – przeciwstawiająca się taksonomii linneuszowskiej)
24
Q
Prokariotyczna koncepcja gatunku
A
- brak uniwersalnego systemu klasyfikacji prokariotów
- współcześnie: filogenetyczna koncepcja w oparciu o analizy informacji i struktur genetycznych oraz wyznaczania podobieństwa genetycznego (parametry: mol% GC, hybrydyzacja DNA-DNA, analiza rRNA)
25
zmienność genetyczna może nastąpić poprzez... [3]
- redukcję genomów - chlamydie, wirusy, riketsje
- przenoszenie plazmidów - HGT
- mutacje
26
Rodzaje transferów genów [2]
1. HGT – Horyzontalny (lateralny) transfer genów
- Koniugacja – „proces płciowy”, dawca i biorca
- Transdukcja – za pośrednictwem bakteriofagów
- Transformacja – pobieranie wolnego DNA ze środowiska
2. Wertykalny (pionowy) transfer genów
27
współczesna klasyfikacja organizmów prokariotycznych [cechy]
- to taksonomia polifazowa - wielokierunkowa
- czerpie informacje z badań:
> fenotypowych - profil aktywności metabolicznej, cechy fizjologiczne, morfologiczne, wirulentność, oporność
> genomowych - informacje genetyczna (np. markery molekularne)
> filogenetycznych
28
genotyp to ...
informacja genetyczna + fenotyp modyfikowany przez czynniki środowiska
29
fenotyp to...
rezultat interakcji genotypu z czynnikami środowiskowymi
30
techniki taksonomiczne [5]
1. zawartość zasad G+C w DNA
- pierwszy marker taksonomiczny
- różnice większe od 10 mol% – organizmy nie należą do tego samego rodzaju
- różnice większe niż 5% – nie należą do tego samego gatunku
2. metody hybrydyzacja DNA/DNA
- niezbędna do wyznaczania granic gatunku bakteryjnego
- do 20% różnic w ułożeniu nukleotydów w gatunku
3. sekwencjonowanie kwasów nukleinowych – analiza podjednostek 16S rRNA, genów kodujących polimerazę RNA, gyrazę, syntetazę ATP, białka szoku cieplnego DnaK (homolog Hsp70), syntetazę glutaminy czy genów białka RecA
4. analiza porównawcza fragmentów DNA
5. Porównanie sekwencji w metodzie hybrydyzacji DNA-rRNA
31
analiza zawartości G+C w DNA
• dsDNA utworzony z komplementarnych par zasad G+C i A-T, a stosunek molarny G/C i A/T jest stały i zwykle wynosi 1
• względny stosunek zawartości molarności [G+C]/[A+T] jest różny
• pozwalają odróżnić szczepy z podobnym fenotypem
• zawartość G+C w DNA prokariontów mieści się w szerokich granicach 20-80 mol%
o niezależne od technik PCR,
o analiza całego genomu,
o metoda ilościowa,
o detekcja unikalnych gatunków
• marker nie wystarczający do opisania gatunku
32
za złoty standard w określaniu pozycji filogenetycznych / gatunkowej dla prokariontów uznaje się techniki
techniki wyznaczania stopnia podobieństwa/identyczności (homologiczności) całych genomów analizowanych ze sobą szczepów - hybrydyzacja DNA-DNA
• wykorzystuje się naturalne właściwości fizykochemiczne kwasów nukleinowych tj. zdolność do denaturacji i reasocjacji komplementarnych nici w podwójnej helisie DNA
• współczynnik RBR – względny stopień wiązania między nukleotydami
• współczynnik ∆Tm – różnica temperatur denaturacji termicznej w analizach porównawczych między szczepami
• Parametry RBR ∆Tm
- cechuje je wzajemna wysoka korelacja
- wzajemna transformacja niemożliwa
• Zalety parametru ∆Tm
- wartość zawsze taka sama
- zbędna obróbka danych surowych
• Rekomendacje: wartość hybrydyzacji DNA-DNA
- przy poziomie 70% i powyżej współczynnika RBR – duże pokrewieństwo między szczepami
- przy współczynniku ∆Tm ≤ 5oC oznacza bliskie pokrewieństwo genetyczne i można zaliczyć szczepy do tego samego taksonu
33
metody sekwencjonowania DNA [2]
o metoda terminacji łańcucha
| o Metoda Maxama i Gilberta (chemiczna degradacja DNA)
34
alternatywne metody sekwencjonowania DNA oparte są na [3]
o Hybrydyzacji
o równoległej ligacji i rozszczepianiu
o Pirosekwencjonowaniu (sekwencjonowanie kwasów nukleinowych w czasie rzeczywistym) - Wyznakowane nukleotydy w momencie dołączania się do nici DNA uwalniany jest pirofosforan, którego ilość jest następnie zliczana
35
Metody typowania DNA
DNA fingerprinting, genetyczny odcisk palca, „Odcisk palca DNA”
* pozwalają wykryć wewnątrzgatunkowe różnice
* metody pierwszej generacji w oparciu o analizę restrykcyjnych fragmentów DNA całego genomu
* metody PCR z analizą z amplifikowanych fragmentów genomowego DNA
36
Analiza rRNA lub genów kodujących rRNA (rDNA)
• geny rRNA wysoce konserwatywne, fundamentalna rola rybosomów
• rRNA cząsteczki występujące, specyficzne o stałej funkcji
• rRNA doskonały marker w badaniach filogenetycznych
• różnice w strukturze pierwszorzędowej odzwierciedlają oddalenie ewolucyjne między organizmami
• badane 3 odmiany rRNA - 23S, 16S i 5S
• najlepiej przebadaną i opisaną molekułą jest 16S, najwięcej informacji
• powszechnie akceptuje się analizę 16S rRNA w badaniach taksonomicznych i filogenetycznych prokariotów w integracji z innymi technikami stosowanymi w polifazowej charakterystyce szczepów
• alternatywne molekuły: 23S rRNA, geny kodujące podjednostki ATPazy, czynniki elongacyjne i polimerazy RNA, białka szoku termicznego, chaperony
o Określenie stopnia pokrewieństwa pomiędzy szczepami powyżej poziomu gatunkowego;
o Umożliwia detekcję niehodowlanych szczepów in situ w próbie środowiskowej
o Analizę dystrybucji i rozmieszczenia szczepów w naturalnych habitatach
o Monitorowanie bioróżnorodności lub struktury mikrobiologicznej w środowiskach (tworząc wyznakowane sondy rRNA, metody pomiaru w czasie rzeczywistym )
37
3 techniki rekonstrukcji drzewa filogenetycznego
o Metody odległościowe (macierze odległości ewolucyjnych, prosty algorytm średnich połączeń UPGMA z analizą skupień sekwencji – algorytmy klastrujące)
o Metody maksymalnej parsymonii (szczepy w obrębie gatunku skojarzone ze zbiorami cech)
o Metody największej wiarygodności (największe prawdopodobieństwo powiązań ewolucyjnych między szczepami)
38
białka o wysoce konserwatywnych sekwencjach przydatne w ustalaniu filogenetycznych związków bakterii [7]
o białko szoku termicznego Hsp70 (białka opiekuńcze w warunkach stresowych)
o syntaza lanylo-RNA
o dehydrogenaza bursztynianowa – enzym oddechowy – cykl Krebsa
o hydroliza pirofosforanu – rozkład ATP
o czynniki elongacyjne
o białka rybosomalne L2, L5, 11 15
o gyrazy – białko bakteryjne, replikacja, transkrypcja, rekombinacja
39
Domena: Bacteria
- aparat jądrowy
- plazmidy
- ściana komórkowa
- lipidy w błonie
- białka histonowe
- rybosomy
- operony
- introny
- inicjatorowy tRNA
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą
- Polimeraza RNA zależna od DNA
- Wrażliwość na rafampicynę
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę
- Czynniki transkrypcyjne
- Replikacja
- Metanogeneza
- Nitryfikacja
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu
- patogeny
- Życie w warunkach ekstremalnych
- aparat jądrowy - nukleoid
- plazmidy - powszechne
- ściana komórkowa - mureina
- lipidy w błonie - Wiązania estrowe
- białka histonowe - Tylko histonopodobne
- rybosomy - 70S
- operony - obecne
- introny - t. w rRNA i pre-mRNA
- inicjatorowy tRNA - formylometionina
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą - niewrażliwe
- Polimeraza RNA zależna od DNA - 1 (4 podjednostki)
- Wrażliwość na rafampicynę - wrażliwe
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę - wrażliwe
- Czynniki transkrypcyjne - niepotrzebne
- Replikacja - 1 punkt startowy
- Metanogeneza - Nie występuje
- Nitryfikacja - występuje
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu - występuje
- patogeny - występują
- Życie w warunkach ekstremalnych - Mało powszechne
40
Domerna Archeae:
- aparat jądrowy
- plazmidy
- ściana komórkowa
- lipidy w błonie
- białka histonowe
- rybosomy
- operony
- inicjatorowy tRNA
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą
- Polimeraza RNA zależna od DNA
- Wrażliwość na rafampicynę
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę
- Czynniki transkrypcyjne
- Replikacja
- Metanogeneza
- Nitryfikacja
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu
- patogeny
- Życie w warunkach ekstremalnych
- aparat jądrowy - nukleoid
- plazmidy - powszechne
- ściana komórkowa - pseudomureina lub brak (brak kwasu muraminowego)
- lipidy w błonie - Wiązania eterowe (brak kwasów tłuszczowych, obecność izoprenoidy i hydroksyizoprenoidy)
- białka histonowe - obecne
- rybosomy - 70S
- operony - występują
- inicjatorowy tRNA - metionina
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą - wrażliwe
- Polimeraza RNA zależna od DNA - Kilka (8-12 podjednostek)
- Wrażliwość na rafampicynę - niewrażliwe
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę - niewrażliwe
- Czynniki transkrypcyjne - wymagane
- Replikacja - Wiele punktów startowych
- Metanogeneza - występuje
- Nitryfikacja - występuje (1 organizm)
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu - nie występuje
- patogeny - nie wykryto
- Życie w warunkach ekstremalnych - Powszechne (Halobacterium salinarum, Pyrolobus fumari)
41
Domena Eukarya
- aparat jądrowy
- plazmidy
- ściana komórkowa
- lipidy w błonie (wiązania)
- białka histonowe
- rybosomy
- operony
- introny
- inicjatorowy tRNA
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą
- Polimeraza RNA zależna od DNA
- Wrażliwość na rafampicynę
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę
- Czynniki transkrypcyjne
- Replikacja
- Metanogeneza
- Nitryfikacja
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu
- patogeny
- Życie w warunkach ekstremalnych
- aparat jądrowy - obłonione jądro
- plazmidy - rzadkie
- ściana komórkowa - Celuloza, chityna
- lipidy w błonie - Wiązania estrowe
- białka histonowe - obecne
- rybosomy - 80S i 70S
- operony - brak
- introny - obecne
- inicjatorowy tRNA - metionina
- Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą - wrażliwe
- Polimeraza RNA zależna od DNA - 3 (wielko jednostkowe)
- Wrażliwość na rafampicynę - niewrażliwe
- Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę i kanamycynę - niewrażliwe
- Czynniki transkrypcyjne - wymagane
- Replikacja - Wiele punktów startowych
- Metanogeneza - Nie występuje
- Nitryfikacja - Nie występuje
- Fotosynteza z udziałem chlorofilu - Występuje (chloroplasty)
- patogeny - Stosunkowo nieliczne
- Życie w warunkach ekstremalnych - rzadkie
42
4 dowody na 3 domeny życia
* typ i rodzaj ściany komórkowej – mureina, pseudomureina, celuloza, chityna (wyjątek grupa Planctomyces-Pirellla i Mycoplasma-Chlamydia, brak mureiny, kwasu muraminowego)
* rodzaj i układ lipidów – fosfolipidy i fytany/bifytany (wyjątek nieliczne ekstremofilne bakterie)
* rodzaje i ilość podjednostek polimerazy RNA
* mechanizmy syntezy białek – bakterie kodon start AUG, tRNA – zmodyfikowana metionina, rybosomy niewrażliwe na toksynę błoniczą, hamowanie biosyntezy białek przez antybiotyki
43
Metody fenotypowe
* obserwacje cech morfologicznych, fizjologicznych i wzrostowych izolatów
* testy fenotypowe - oznaczanie w metodach bezpośrednich lub pośrednich: aktywność enzymatyczną, profil wykorzystywania substratów, warunki wzrostowe i inne
* metody muszą być wystandaryzowane, jednolite i powtarzalne (szczepy referencyjne i wzorcowe jako punkt odniesienia; liczba analiz biochemiczno-enzymatycznych, liczba powtórzeń analiz, n liczba szczepów/izolatów blisko spokrewnionych; inokulacja, warunki inkubacji optymalne)
44
testy pomocnicze w identyfikacji szczepów za pomocą metod fenotypowych
o taksonomia numeryczna – systemy identyfikacji mikroorganizmów
- np. API, Biolog, Vitek, Feniks
- Wyniki są interpretowane komputerowo
- Dedykowane głównie dla diagnostyki klinicznej
o taksonomia dychotomiczna
- barwienie grama
- morfologia kolonii
- wzrost na rekomendowanych podłożach
o chemotaksonomia – użyteczne w identyfikacji i klasyfikacji prokariotów - specyficzne molekuły
• Komponenty ściany komórkowej (typ peptydoglikanu, kwasy tejchojowe)
• Lipidy (kwasy tłuszczowe, lipidy polarne, LPS, chinony)
• Poliaminy (związki polikationowe
45
2 metody klasyfikacji organizmów
• klucze dychotomiczne
o Powszechne w diagnostyce identyfikacyjnej
o w oparciu na obecności lub braku danej analizowanej cechy (fenotypowe, morfologiczne)
o Na zasadzie wykluczania
• kladogramy (klastryczna, analiza skupień)
o to mapy wskazujące na stopień pokrewieństwa pomiędzy organizmami w zestawieniu cech zbiorczych
o Analiza genetyczna (pokrewieństwo genetycznego za pomocą analizy rRNA)
o analiza chemotaksonomiczna (białka, lipidy, LPS, aa, cukrowce)
o analiza komputerowa (podobieństwo, pokrewieństwo i identyczność wyrażane w procentach)
46
Alternatywne metody typowania fenotypu [4]
• serotypowanie (zmienność antygenowa) – wykrywanie: rzęski, fimbrie, otoczki, białka ściany komórkowej, osłony
• profilowanie elektroforetyczne białek
- całkowite białka komórkowe, OMP bakterii Gram-ujemnych, analiza ML enzym elektroforeza
• analiza LPS metodami elektroforetycznymi (zmienność w części O-swoistego łańcucha bocznego)
• techniki spektrometryczne
47
Klasyfikacja organizmów prokariotycznych - 3 etapy
• obecnie badania taksonomiczne prowadzone są na trzech następujących po sobie poziomach
o metody posiewowe szczepów
metody fenotypowe – testy biochemiczne, fizjologiczne, analiza kwasów tłuszczowych, analiza DNA (badania polimorfizmu, PCR)
o ustalenie pozycji filogenetycznej – metody sekwencjonowania genu 16S rRNA
o ustalenie przynależności gatunkowej – metody hybrydyzacji DNA-DNA
48
system fenetyczny
zakłada grupowanie organizmów na podstawie podobieństwa zespołu cech ujawniających się fenotypowo
49
system filogenetyczny
uwzględnia najnowsze odkrycia dotyczące pokrewieństw ewolucyjnych (podstawą jest struktura DNA, ale obecnie również konserwatywne sekwencje zawierające insercje i delecje, geny kodujące białka)
50
Identyfikacja taksonomiczna mikroorganizmów
określenie przynależności badanego organizmu go odpowiedniej jednostki taksonomicznej, najczęściej gatunku
51
Gatunek to
- populacja mikroorganizmów wykazujących wysoki stopień podobieństwa w ściśle określonym zakresie cech, a różniących się od innych gatunków tego samego rodzaju
- to monofiletyczna grupa bakterii genomowo i fenotypowo spójna, którą można diagnozować na podstawie charakterystycznych cech fenotypowych
52
taksogatunek
grupa organizmów (szczepy, izolaty) z wysokim podobieństwem fenotypowym i tworzący odrębny klaster z charakterystycznym zestawem cech fenotypowych
53
genetyczny gatunek, genogatunek, genovar, grupa DNA
grupa organizmów z wysokim poziomem podobieństwa hybrydyzacji DNA-DNA
- różne genogatunki nie mogą być odróżniane od innych genogatunków na podstawie znanych cech fenotypowych
- Genogatunki pozostają bez nazwy taksonomicznej do momentu wykazania różnic w cechach fenotypowych
54
nomengatunek
grupa organizmów z nazewnictwem dwuczłonowym
55
Koncepcje gatunku dla organizmów prokariotycznych - 4
• fenetyczna/politetyczna koncepcja PhSC, sprowadza się do empirycznej analizy danych stabilnych cech fenotypowych (umowne operacyjne jednostki taksonomiczne, operational)
• ewolucyjna koncepcja gatunku, ESC – brak skamielin, brak informacji morfologicznych, genetycznych i fenotypowych ancestralnego przodka prokariotów
• filogenetyczna koncepcja gatunku PSC w 2 wariantach:
o monofiletyczna,
o diagnostyczna
• Monofiletyczna koncepcja gatunku
o zgrupowanie szczepów homologicznie spójnych ze sobą
o analiza sekwencji rRNA (16S rRNA w prokariotach) lub genów housekeeping (badanie autapomorfii/homologii między organizmami)
o sekwencje homologiczne i unikalne w taksonie, z wykluczeniem sekwencji wstawionych w genom z powodu HTG
56
Diagnostyczna koncepcja gatunku
* gatunek jako najmniejszy diagnostyczny klaster obejmujący również wzorzec cech powyżej poziomu taksonu, wspólnych w obrębie rodzaju, rodziny, rzędzie etc
* funkcjonalne jednostki diagnostyczne, diagnostic units (różne kryteria)
* klastry – genetyczne, fenotypowe, fizjologiczne, patogeniczności, serologiczne, fagospecyficzne
57
Filo-fenetyczna koncepcja gatunku
• jednostki taksonomiczne to najlepiej opisane jednostki operacyjne z uniwersalnym ale wyróżniającym się zespołem cech diagnostycznych, niespotykanych w innych jednostkach
• przy opisie szczepów stosuje się 3 poziomy analiz
o wyznaczanie granicy taksonu w analizach genetycznych (metody hybrydyzacji całkowitego genomu, oznaczanie wielkości genomu i stosunku mol%GC)
o badania fenotypowe (ważne w klasyfikacji i wykazaniu wewnątrzgatunkowych różnic) obejmujące klasyczne i fenetyczne metody diagnostyczne (profile biochemiczno-enzymatyczne, fizjologiczne, serologiczne i in., markery chemotaksonomiczne oraz techniki typowania molekularnego)
o detekcja monofiletyczności szczepów w taksonie (16S rRNA)
58
Filogenetyczny gatunek z definicji to
monofiletyczny i genetycznie spójny klaster (grupa) organizmów z wysokim stopniem pokrewieństwa / podobieństwa przy zastosowaniu licznych niezależnych technik diagnostycznych (genetycznych i niegenetycznych)
59
różnice między fermentacją a oddychaniem
o podczas fermentacji brakuje zewnętrznego akceptora elektronów i protonów (końcowy produkt glikolizy – pirogronian – jest dalej redukowany – do produktów fermentacji)
o podczas oddychania akceptorem elektronów i protonów jest O2 lub inny związek nieorganiczny który się redukuje
60
Typy syntezy ATP w przyrodzie - 3
• fosforylacja substratowa podczas fermentacji
o ATP wytwarzany jest w procesie katabolizmu związków organicznych,
o glikoliza, cykl CCC
• fosforylacja oksydatywna podczas oddychania
o ATP generowane podczas przenoszenia elektronów i protonów przez odpowiednie systemy białek enzymatycznych w membranach ATPazy lub wytwarzające gradient protonowy
• fosforylacja fotosyntetyczna (u fototrofów)
o synteza ATP wskutek konwersji energii świetlnej w specjalnych układach transformacyjnych
61
Alternatywne procesy kataboliczne
• oddychanie beztlenowe
o akceptorem elektronów jest inny związek niż O2 np. NO3-, Fe3+, SO42-, HCO3-
o mały zysk energetyczny
o źródłem związków węgla są związki organiczne
o w środowiskach ekstremalnych (brak O2)
• chemolitotrofia
o donorami elektronów są związki nieorganiczne (siarczki, amoniak itp.)
o źródłem związków węgla jest CO2 (autotrofizm)
o tlenowce
62
Autotrofy – fotosyntetyczne
| • fototrofy
o kwant świetlny jako źródło energii w procesie fotosyntezy
o źródłem związków węgla mogą myć CO2 (fotoautorofy) lub związki organiczne (fotoheterotrofy)
o donory e : zredukowane związki mineralne H2O, H2S, S0, S2O3-
o procesy fotosyntezy mogą przebiegać w warunkach tlenowych (sinice) lub beztlenowych (bakterie purpurowe i zielone)
63
Uniport
jeden z rodzajów dyfuzji wspomaganej substancji przez błony biologiczne, zachodzącego wewnątrz organizmów żywych, podczas którego przez jedno białko przenośnikowe (uniporter), transportowana jest cząsteczka tylko jednego typu zgodnie z gradientem swojego stężenia
64
symport
jeden z rodzajów transportu aktywnego zachodzących wewnątrz organizmów żywych, podczas którego przez jedno białko transportowane są dwie cząsteczki jednocześnie (w tym samym kierunku)
65
rzęski
ruch
| białka - flagelina
66
pilusy, fimbrie płciowe
koniugacja, transfer genetyczny
| białka - pilina
67
fibrie zwykłe
adhezja do powierzchni, ochrona przed fagocytozą
| białko - pilina
68
otoczki - mikrootoczki, śluzy, glikokaliks, pochewki
adhezja do powierzchni, ochrona przed fagocytozą, biofilm, ochrona przed wysychaniem, rezerwa zw. organicznych
polisacharydy, rzadziej polipeptydy
69
inkluzje
ziarnistości zapasowe, rzadziej struktury o specyficznej funkcji
węglowodany, lipidy, białka, jony nieorganiczne
70
chromosom, genofor, nukleoid bakteryjny
materiał genetyczny, system operonów
| dwuniciowa cząsteczka DNA, rzadko z białkami histonopodobnymi, koliście zamknięta superhelisa
71
plazmidy
nie niezbędny autonomiczny pozachromosomalny materiał geentyczny, warunkuje oporność na antybiotyki (plazmidyR) i jony metali ciężkich, syntezę enzymów katabolicznych i czynników wirulencji
dwuniciowa, kolista lub liniowa cz. DNA
72
endospory
ciała przetrwalne
| składniki budulcowe, jak w komórkach wegetatywnych, kwas dipikolinowy
73
Ściana u mykobakterii: hydrofobowa, woskowata
* mykolany i związki lipidowe charakterystyczne dla promieniowców,
* cecha diagnostyczna: kwasooporność
74
Brak mukopeptydu u
Planctomyces spp., Pirellula spp., Mycoplasma spp., Anaplasma spp.
75
LPS
jako czynnik zjadliwości przyczyna sepsy (posocznicy) bakteryjnej
• potężny stymulator odpowiedzi immunologicznej i wstrząsu septycznego (endotoksycznego)
• jako superantygen – wstrząs septyczny, pobudzanie komórek B i makrofagów, czynnik pirogenny, zjawisko DIC, hipotensja i hipoksja wielonarządowa
76
Parakrystaliczna warstwa białkowa lub glikoproteinowa WARSTWA S („Surface”) S-layer
• powszechne u Archeaebacteria
• Eubacteriae różnych grup filogenetycznych:
o u gram-dodatnich układają się na ścianie komórkowej (mureinie i innych polimerach)
o u gram-ujemnych łączą się za pośrednictwem LPS błony zewnętrznej
• funkcje
o stabilizacja
o ochrona
o matryca jonowymienna
o czynnik zjadliwości
77
Otoczki i śluzy
funkcja ochronna, ale struktury nie niezbędne
• otoczki polisacharydowe w serotypowaniu niektórych mikroorganizmów grzybów i bakterii
• otoczki poli-D-kw. glutaminowe u B. anthracis powstają dopiero w żywicielu
• otoczki jako czynniki wirulencji
• wykrywanie otoczek:
o metody barwienia (pozytywno-negatywne)
o serologiczne
• śluzy/otoczki:
o dekstranowe i lewanowe (paciorkowce próchniczotwócze Leuconostoc spp.)
o alginianowe(P. aeruginosa)
• Rhizobium trifolii – pozytywna rola w ryzosferze
78
Pochewki
funkcja ochronna i odżywcza
o Struktury zapewniające zawartość i ciągłość kolonijną mikroorganizmów – w pochewkach żyją, rozmnażają i przemieszczają się
o Stanowią poważny problem w oczyszczalniach ścieków, ale też stosowane jako osad czynny
o Pochewka – korzystne warunki środowiska, brak pochewki – niekorzystne warunki środowiska
- Sphaerotilus natans – bakteria pochewkowa, wody słodkowodne i ścieki
- Leptotrix ssp. - bakteria utleniająca niektóre metale Fe i Mn, tlenki metali inkrustują pochewki, powszechne w środowisku wodnym i terenach podmokłych
79
Bakterie pozbawione mureiny Mollicutes lub kwasu muraminowego
* Chlamydiae - ciałka EB i RB złożony cykl życiowy
* Planctomyces
* Spiroplasma
* Mycoplasma
* najmniejsze wolnożyjące bakterie (0,1-0,25μm), samoreplikujące się jednostki
* wysoka plastyczność komórkowa
* w membranie obecne sterole i białka adhezyjne
* wzrost powolny również w warunkach in vitro (sterole, hopanoidy)
* Endosymbionty wiążące N, termofilne eubakterie, bakterie spiralne
80
Hopanoidy
o strukturalnie podobne do steroli, obecne w błonach wielu bakterii ale nie w archeabakteriach
o triterpenoidy, klasa lipidów o niezwykłych amfifilnych właściwościach
o w błonach pełnią funkcje
wzmacniające
przepuszczalności
chemotaktyczne
81
Mycoplasma spp.
* wywodzą się od bakterii gram-dodatnich
* brak ściany komórkowej daje negatywny efekt wybarwienia w metodą Grama
* Mykoplazmy są przykładem tzw. ewolucji degeneracyjnej z redukcją wielkości genomu
* redukcja rozmiaru genomu bakteryjnego wiąże się z utratą pewnych genów strukturalnych związanych ze ścianą komórkową, szlakami metabolicznymi, enzymami
* zjawisko to wiąże się ze zmniejszeniem rozmiarów bakterii częściowej lub całkowitej zależności od żywiciela (odżywianie, replikacja, powielanie)
Mycoplasma pneumoniae
• przewlekłe atypowe zapalenie oskrzeli i / lub płuc
• nosicielstwo powszechne
• adhezja tkankowo-specyficzna
• żyje w przestrzeniach międzykomórkowych wydłużając swój kształt komórki
• możliwość wnikania do komórek nabłonka
82
Zmiana wielkości kształtu i wielkości komórek bakteryjnych (pleomorfizm) jest zjawiskiem powszechnym (adaptacja do warunków środowiska)
• wydłużanie komórek, tworzenie filamentów, wypustek, tubuli, pączków, wyrostków u bakterii środowiskowych – pozwalają zwiększyć powierzchnię komórki w stosunku do jej objętości – to pewniejsza adsorpcja związków ze środowiska lub szybsza ekspansja terenowa
83
Rzęski bakterii
```
• czynny ruch
• determinanty wirulencji
• działa jak śruba okrętowa
• przypomina smaganiem biczem
• Ruch rzęski napędzany jest chemotaktycznie
- układ sensoryczno-przekaźnikowy
```
84
atraktancja
ruch w kierunku bodźca
85
repelencja
ruch w kierunku przeciwnym do działania bodźca, tzw ucieczka, repelenty – „odstraszacze”
86
typy ruchów
1. forma swaring - nieliczne bakterie zdolne do konsolidacji i różnicowania się w zespolony wspólny układ ruchu
2. forma bezrzęsna
- typ drgający - ruch bierny Browna, przy współudziale energii kinetycznej cząsteczke
- ruch ślizgowy - substancje śluzowate i struktury powierzchniowe drobnoustrojów - adhezyny, fimbrie
- ruch przez rozsuwanie - komórek po podzialek, wskutek wzrostu bakterii
87
Materiały zapasowe
* glikogen – liczne bakterie z rodzajów Bacillus, Salmonella, Escherichia, Arthobacter, sinice
* skrobia – Acetobacter pasteurians, Neisseria spp
* poliglukoza, granuloza - Fusobacterium spp., Clostridium spp
* kwas poli-β-hydroksymasłowy – wiele bakterii tlenowych i beztlenowych, bakterie fototroficzne (polimer acetylo-CoA z glukozy lub skrobi)
* cyjanoficyna – poli-aa, źródło N sinic
* siarka (okta-siarka) - pierścieniowe cząsteczki ośmioatomowe, politioniany i łańcuchy trójatomowe lub dłuższe (np. bakterie siarkowe)
* polifosforany (Spirillum volutans, Corynebacterium spp.) tzw wolutyna (ciało metachromatyczne) - źródło fosforanów
88
Chromobacterium spp.
* ziarnistości wewnątrzkomórkowe jako materiał zapasowy typu pochodnych kwasów tłuszczowych (biopolimery polialkonaty)
* rodzaj związków tłuszczowych zależy od składu chemicznego pożywki hodowlanej, najczęstszy związek to PHB
89
karboksysomy
– złożone struktury w procesach wiązania CO2 z udziałem 2-ch enzymów RuBisCo i CA
• CA przekształca HCO3- do CO2, Rubisco wiąże CO2 przy pomocy RuBP, rybulozo-1,5-difoxforan i przeprowadza przemiany CO2 do 3 cząsteczek 3-foxfogliceryniany (3-PGA)
• prawdopodobnie O2 bierze udział w syntezie fosfoglikolanu (w cytozolu)
Synechococcus ssp. Morska sinica z typowym karboksysomem
Halothiobacillus spp – liczne karboksysomy
S. Typhimurium z bardzo licznymi enterosomami, mniej regularne i mniejsze niż typowe karboksysomy
90
Bakterie magnetotaktyczne
to głównie mikroorganizmy wodne żyjące w środowisku o niskiej koncentracji O2
• gram-ujemne mikroaerofile, lub ścisłe beztlenowce
• otoczone podwójną warstwą fosfolipidów
• krystaliczne magnetyty
• magnetyty warunkują ruch chemotaktyczny wzdłuż linii pola magnetycznego
- używają magnetosomów w celu zlokalizowania i utrzymania optymalnych warunków dla swojego wzrostu i przeżycia w oparciu o pionowy gradient stężenia chemicznego i potencjału redoks, poprzez biomineralizację Fe i S
91
Mezosomy
* biosynteza ściany komórkowej
* podziały komórkowe
* replikacja chromosomu
* mezosom – wpuklenia błony cytoplazmatycznej w postaci pęcherzyków, rurek, lamelli
* Artefakt powstający podczas przygotowywania preparatu (?)
92
Lamelle fotosyntetyczne
• fikobilisomy pełnią funkcję fotosystemu II jak u roślin zielonych i krasnorostów
• tylakoidy z fikobilisomami po zewnętrznej stronie aparatu u sinic
• funkcja fikobilisomów:
o fotoreceptory,
o fotoprotekcja (redukcja energii podczas przenoszenia z fikobilisomów do fotosystemu)
93
Chlorosomy
• u bakterii zielonych barwniki fotosyntetyczne zebrane w kompleksie na błonie cytoplazmatycznej
94
Chromatofarum
• u beztlenowych bakterii fotosyntetycznych szczególnie bakterii purpurowych pigmenty fotosyntetyczne bezpośrednio związane z błoną chromotaforową
95
Formy przetrwalne u bakterii
* endospory - (przetrwalniki, spory wewnętrzne) liczne bakterie z rodzajów Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sporosarcina, związek charakterystyczny tylko dla endospor to kwas dipikolinowy DPA
* cysty – cała komórka wegetatywna przekształca się w ciało przetrwalne, Azotobacter, odporne na wysuszenie, ciepło (nie tak jak endospory), środki dezynfekcyjne
* egzospory – Methylosinus spp, powstają w wyniku tzw. procesu pączkowania z komórki macierzystej, gruba odporna ściana
* akinety - sinice
* konidia – promieniowce Streptomyces spp., Nocardia spp., Thermoactinomyces spp, Micromonospora spp.
* mikrospory - u bakterii śluzowych, powstają w specjalnych strukturach tzw. ciałkach owocowych (sporangiach lub cystach), jako przekształcone komórki wegetatywny w odpowiedzi na niekorzystne warunki środowiska, głód
96
Gemmata obscuriglobus
* jak większość Plancomyces spp. wokół nukleidu uformowały coś w rodzaju osłonki jądrowej z błony cytoplazmatycznej tworząc tzw. wewnętrzną błonę – może być modelem w wyjaśnieniem pochodzenia jądra komórkowego u eukariota
* pałeczki Gram-ujemne,
* pozbawione ściany komórkowej,
* pączkujące bakterie wodne
* wytwarzające łodyżki jak caulobacterie
97
Genomy bakteryjne nierównocenne
* chromosom główny Ch1 – geny metabolizmu podstawowego rozmieszczone w całym replikonie
* chromosom(y) dodatkowy(e) - nieliczne geny metabolizmu podstawowego, rozmieszczone w segmentach DNA, obecność systemów replikacyjnych i genów o charakterze adaptacyjnym
98
Rhodobacter sphaeroides
fakultatywny fotoautotrof, w zależności od warunków przeprowadza procesy fotosyntetyczne, oddychanie beztlenowe, w tym fermentację
99
postacie nukleoidu
o koliście kowalentnie zamkniętej formy CCC (super-zwinięta, super skręcona)
o koliście otwartej formy OC (gdy przecięta jest jedna nić w podwójnej helisie DNA)
o liniowy replikon o zamkniętych końcach typu struktury spinki do włosów (Borrelia spp, Streptomyces)
100
plazmidy
```
- autoreplikony, nie niezbędne, różna wielkość i liczba, różna rola
o rodzaje plazmidów:
oporności,
wirulencji,
kataboliczne,
koniugacyjne,
kryptyczne
```
101
Najmniejsze genomy mają
obligatoryjne symbionty i pasożyty obligatoryjny endosymbiont cykad „Candidatus Hodgkinia cicadicola” 0,14Mpz, wolnożyjąca bakteria Candidatus Pelagibacter ubique 1,3 Mpz
102
Genom bakteryjny składa się z
* geny stanowiące konserwatywny rdzeń genomu (8 %)
* geny nadające charakterystyczne cechy gatunkom (ok 64%)
* geny dodatkowe (28 %, swoisty rezerwuar genów)
103
W obrębie genomów bakteryjnych można wyróżnić
* regiony międzygenowe pomiędzy operonami
* duże regiony międzygenowe (>1000pz) kodujące tzw. funkcjonalny RNA (tRNA i sRNA / ncRNA)
* pseudogeny
104
Plastyczność i ewolucja genomów bakteryjnych wskutek współwystępowania procesów:
* horyzontalnego transferu genów
* rekombinacji prowadzącej rearanżacji genetycznej i
* redukcji prowadząca do zmniejszenia rozmiarów genów
105
Nośniki genetyczne
o chromosomy,
o plazmidy R/ nr,
o transpozony i inne elementy ruchowe,
o kasety genowe i integrony,
106
drogi rozprzestrzeniania genów
```
o mutacje (transfer wertykalny),
o koniugacja (transfer horyzontalny),
o transdukcja,
o transformacja,
o naturalna elektoporacja,
o transfer z udziałem GTA,
o transpozycja
```
Alternatywny procesem pojawienia się nowych informacji genetycznych to duplikacja segmentów DNA i ich dywergentna ewolucja
107
większość bakterii namnaża się przez
symetryczny podział komórkowy ważnym i kluczowym białkiem w maszynerii kontrolującym podział jest białko FtsZ. Monomery tego białka polimeryzują tworząc pierścień pośrodku komórki macierzystej i inicjują miejsce rozejścia się komórek potomnych
108
zróżnicowanie komórek u sinic w zależności od warunków środowiskowych
* formy wegetatywne
* formy przetrwalne
* formy o kluczowej funkcji dla całego układu kolonii
109
Różne odmiany namnażania:
* podział binarny
* dyspersja formy nitkowatej z utworzeniem hormogonii (jednostek infekcyjnych dla roślin i wytworzenia układu symbiotycznego), gonidii (pseudohormogonii)
* baeocyty wytwarzane przez sinice- komórka macierzysta zwiększa znacznie swoje rozmiary, asymetryczny podział wewnętrzny
* niektóre bakterie rozmnażają się przez asymetryczny podział poprzez pączkowanie na jednym biegunie komórki macierz. Często tworzą się układy rozet komórek po podziale. Niektóre Plancomytes, sinice, Firmicutes, prostheca Proteobacterie
* złożony proces podziału komórek bakteryjnych u bakterii wytwarzających prostheca – Cykl rozwojowy Caulobacter ssp: G1 – różnicowanie się komórek (wolno-pływająca i forma pre-osiadła), S – replikacja DNA, utrata rzęsek, fimbrii i aparatu chemotaktycznego, formowanie łodyżki, metylacja –DNA, formowanie pierścienia podziałowego Z, G2/M - asymetryczny podział komórkowy
* Nietypowy podział asymetryczny u G. obscuriglobus poprzez pączkowanie komórek macierzystych – cechy nietypowe: Formowanie i wzrost pączka z cytoplazmą, Pod koniec podziału zachodzi segregacja chromosomów, Dryf genomu bez udziału białek regulacyjnych FtsZ, Dojrzewanie pączka z kompartmentacją wewnątrzkomórkową
* atypowy podział komórki u bakterii olbrzymów: 2 pierścienie podziałowe Z na biegunach komórki macierzystej, wzrost i dojrzewanie dwóch potomnych komórek wewnątrz komórki macierzystej, śmierć komórki macierzystej i uwalnianie komórek potomnych
110
Bdellovibrio bacteriovorans
• gram-ujemna zakrzywiona pałeczka,
• atakuje i pożera inne Gram-ujemne bakterie w ciągu 4h (skuteczny drapieżnik)
o wnika do przestrzeni peryplazmatycznej ofiary
o formuje się bdelloplast z helikalną komórką
o komórka ta rośnie i powiększa się, w niej dochodzi do wielokrotnych wewnętrznych podziałów z wytworzeniem potomnych komórek
111
Vampirococcus
przyczepia się do powierzchni ofiary i wysysa jej wnętrze, Bakteria-drapieżca atakuje tylko bakterie z rodzaju Chromatium
112
Daptobacter
wnika do cytoplazmy swojej ofiary i pożera ją od środka , atakuje tylko bakterie z rodzaju Chromatium
113
Regulacja ekspresji genów
* mechanizmy regulacji genetycznej w bakteriach: regulacja transkrypcji (czynniki transkrypcji, stymulatory w aktywacji czynników zjadliwości, np. odpowiednie stężenie Fe w żywicielu aktywuje regulator toksyny błoniczej u C. diptheariae)
* regulacja posttranskrypcyjna (poprzez rybonukleazy)
* regulacja translacyjna (czynniki translacji)
* regulacja post-translacyjna (biosynteza i modyfikacja bakteriocyn typu lantybiotyki u Lactobacillus spp.)
* quorum sensing QS (szlak sygnałów) uczestniczą odpowiednio efektory i regulatory
114
Warunki wzrostu bakterii
```
• składniki odżywcze
• pH
• temperatura
• potencjał redox
• wilgotność 70-80%
• aktywność wody
• stopień zasolenia
• ciśnienie atmosferyczne
Czynniki fizyczne i chemiczne wpływają na wzrost, namnażanie , przeżywalność oraz aktywność metaboliczną drobnoustrojów
```
115
Bacteria ekstremalne Archaebacteria – liczne prokariota i Archae (bacteria) zasiedlają ekstremalne środowiska (ekosystemy
* bez dostępu tlenu i światła
* bardzo wysoka temperatura od 100oC;
* wysokie ciśnienie nawet przekraczające 400x od normalnego ciśnienia atmosferycznego
* skrajne wartości pH (0-10)
* wysoki stopie zasolenia (20% NaCl i więcej, w warunkach laboratoryjnych)
* hydrotermalne wulkany na dnie Oceanu Spokojnego pełne życia, życie poza zasięgiem człowieka
* trujące gazy (metan, siarczki, cyjanki, wodorki i inne)
* obecność ciężkich metali (Hg, As, Cd, Pb)
116
Mechanizmy adaptacji do warunków środowiskowych
* rodzaj i sposób akumulacji energii
* utrzymanie homeostazy środowiska wewnątrzkomórkowego
* regulacja metabolizmu i kinetyka reakcji biochemicznych
* stabilność strukturalna i czynnościowa komponentów komórkowych
* płynność i stabilność membran
* produkcja ochronnych substancji (egzopolimery, biosurfaktanty, barwniki, kompatybilne soluty, krioprotektanty, ekstremolity; pochodne aa, monocukry, aminy)
* produkcja białek ochronnych: Hsp, Csp, Cap, Rec (reperacja kwasów nukleinowych i regulacja procesów replikacji, transkrypcji i translacji)
117
Dostosowanie się bakterii do niskich temperatur
* niska temperatura (niższa od optimum temp wzrostu) wywołuje zjawisko szoku termicznego (cold shock) - Gram-ujemne bakterie bardziej wrażliwe niż gram-dodatnie
* spadek temperatury w czasie wzrostu wywołuje spadek aktywności metabolicznej i namnażanie komórek
118
Wzrost w niskiej temperaturze w skutek adaptacji:
* zmiany morfo-fizjologiczne (zmiana kształtu komórek, zniekształcenia struktur komórkowych, inhibicja biosyntezy DNA, RNA, białek, modyfikacja biosyntezy lipidów)
* zmiany strukturalne (skład lipidów w błonach cytoplazmatycznych i LPS, wzrost nienasyconych kwasów tłuszczowych, pogrubienie ściany komórkowej)
* ekspresja genów tzw cold shock response, białka szoku zimnego i aklimatyzacji do zimna, inhibicja białek szoku cieplnego
* aktywacja i ekspresja innych genów niż CSR lub nadekspresja genów strukturalnych
119
psychrofile i psychrotrofy
regiony polarne i osady morskie, bardzo niskie temperatury, szybko giną w temperaturze pokojowej
120
psychrotolerancyjne
powszechne na całym świecie: gleba, wody, żywność przechowywana w lodówce (4oC) - problem sanitarny
121
Molekularne mechanizmy adaptacji psychrofilów
* aktywność specyficznych enzymów w niskich temperaturach – mniejsza liczba oddziaływań wewnątrz-cząsteczkowych, inaktywacja lub nawet destrukcja w wyższych zakresach temperatur
* specjalna II rzędowa struktura białek z dużą ilością alfa-helisy, więcej polarnych aa (odwrotnie w przypadku mezofilów i termofilów)
* długi czas generacji
* niska i powolna aktywność biochemiczna
* złożony cykl życiowy (sporulacja-germinacja), formy przetrwalne lub faza VBNC (przejściowa, fizjologiczna lub całkowita)
122
Komórki VBNC (Viable but not curturable)
• bakterie w stanie VBNC są w stanie minimalnej metabolicznej aktywności, ale nie zdolne do podziałów (uśpione)
o nienaruszona struktura komórki
o redukcja wielkości i kształtu komórki
o zmiany i rearanżacja struktur i osłon komórki, membran, DNA, białek, rybosomów
o zmiany w patogenności (zablokowana lub aktywowana)
123
Resuscytacja komórek możliwa gdy
* optymalna temperatura środowiska
* obecność czynników odżywczych i czynników wzrostu
* obecność specyficznych związków jako czynniki sygnalne: aa, czynniki promujące resuscytację (Rpf) (2CS system, remodeling lub uwalnianie fragmentów ściany komórkowej) czy autoinduktory
124
czynniki stresogenne środowiska wpływające na podziały komórkowe inicjują przejście w stan VBNC:
```
o temperatura
o stężenie soli
o potencjał redoks
o dostępność składników pokarmowych
o światło
```
125
Termofile - podział
* termofile (optymalna temperatura >45oC)
* hipertermofile (optymalna temperatura ≤80oC)
* ekstremalne hipertermofile (optymalna temperatura >80oC)
126
na zróżnicowanie mikroorganizmów (hipertermofile chemoorgano / chemolitotrofów) mają wpływ różne czynniki
o związki mineralne
o pH odczynu
o ilość i rodzaj składników odżywczych (pierwiastków biogennych, czynników wzrostowych, zewnętrzne akceptory lub donory elektronów
127
strategie metabolizmu
* chemoorganotrofia
* chemolitotrofia (utlenianie H2, przemiany zw S, Fe i Nnorg)
* autotrofia (metanogenesis)
* biodostępność składników odżwczych i czynniki abiotyczne wpływają na rozmieszczenie i dystrybucję bioróżnorodności mikrobiologicznej
* różne strategie metabolizmu pozwalają tworzyć konsorcja, kooperacje między drobnoustrojami
128
Molekularne mechanizmy adaptacji termofilów i hipertermofilów
* charakterystyczna struktura III rzędowa białek – strukturalne, enzymatyczne i transportery (permeazy)
* białka szoku termicznego HSP
* chaperoniny – białka chroniące chromosom bakteryjny przed denaturacją i rozkręceniem
* nasycone długo-łańcuchowe kwasy tłuszczowe w fosfolipidach błony cytoplazmatycznej
* polimeraza Taq oraz polimeraza Pfu
* Wiązania eterowe w lipidach
* poli-izoprenoidy zamiast kwasów tłuszczowych w lipidach u Archea
* tetra-eterowe lipoglikany
* Białka histonopodobne w stabilizacji chromosomu bakteryjnego
* Małe rozmiary DNA
* Rewertaza DNA gyrazy (odmiana topoizomerazy) chroni helisę DNA przed rozwinięciem i denaturacją
* Duże stężenia związków drobno-cząsteczkowych w cytoplazmie: cykliczne difosfoglicerole, di-fosfoinozytol, mannozo-glicerydy (czynniki termo-stabilizujące enzymy i DNA przed denaturacją)
* Glikoproteiny, warstwa S w osłonach komórkowych i EPS biofilmu
129
W utrzymaniu homeostazy pH wewnątrzkomórkowego w bakteriach uczestniczą
systemy transportu do i z komórki (uniport, symport i antysport)
130
Mechanizmy oporności na zmiany pH i procesy regulacyjne
* efflux H+ i kanały K+ lub Na+ (antysport)
* alkalizacja pH otoczenia
* osłony komórkowe i matriks biofilmu
* produkcja białek szoku cheperonin
* ekspresja czynników transkrypcji
* QS i zmiany liczebności populacji drobnoustrojów
131
Mechanizmy dostosowania się do alkalizacji środowiska
* wzrost procesów deiminacji aa i fermentacji cukrów
* wzrost produkcji syntetaz ATPaz z systemem kanałów H+
* zmiany strukturalne i fizjologiczne błon komórkowych i osłon komórkowych (wzrost kardiolipin i skwalenu, kwasów tejchojowych i tejchuronowych, polimerów warstwy S)
* wzrost ekspresji i aktywność antyportów monowartościowych kationów i protonów: Na+/H+ lub Na+(K+)/H+
* blokowanie aktywności kanałów H+ typu effluks
132
Mechanizmy osmoregulacyjne:
* przejście w fazę VBNC, formy spoczynkowe (sporulacja)
* zmiany morfologii komórek i w osłonach komórkowych
* aktywacja swoistych kanałów i pomp
* wzmożona aktywność zewnątrzkomórkowych enzymów (proteaz, amylaz i innych sacharolitycznych enzymów)
* akumulacja kompatybilnych solutów
* zmiana lipidów w błonach komórkowych (wzrost kwaśnych lipidów: DPG, PG, z kwaśnymi aa, kardiolipin)
* wzrost udziału cyklopropanu w fosfolipidach (E. coli), lub nienasyconych krótko-łańcuchowych kwasów tłuszczowych (Lactobacillusspp.)
133
Mechanizmy dostosowania się do środowisk halinowych
- budowa osłon komórkowych, glikokaliks wiąże Na+
- kanały i pompy - uniport K+, symport i antyport Na+/H+
- relokalizacja Na+ w wakuolach gazowych
- rozmieszczenie K+/Na+ w procesach osmotycznych i hydratacji cytoplazmy
- barwniki niefotosyntetyczne w biogenezie ATP, siły protonowej - bakteriodopsyna
- halorodopsyna jako kanały chlorkowe i sensoryczne białka w procesach fototaktycznych
- cytoplazma kwasowa, obecność białek kwasowych i polarnych
- stabilizacja aktywności rybosomów jonami K+
134
metabolity to
związki będące produktami pierwotnego lub wtórnego metabolizmu różnych organizmów, posiadające aktywność biologiczną - metabolity bioaktywne
głównymi producentami grzyb i promieniowce
135
pierwotne metabolity
końcowe produkty podstawowej przemiany materii - metabolizm pierwotny
136
wtórne metabolity - idiolity
związki organiczne na ogół po zakończeniu wzrostu - metabolizm wtórny
137
Przykłady wtórnych metabolitów
* pigmenty
* biocydy i bakteriocyny
* antybiotyki i związki antybiotykopodobne
* toksyny
* feromony (Al)
* inhibitory enzymów i biosurfaktanty
* PHA i inne związki zapasowe
138
mechanizmy kontroli biosyntezy idiolitów
- indukcja substratowa
- indukcja powodowana przez regulatory metaboliczne
- represja i hamowanie kataboliczne
- regulacja związkami azotu
- regulacja fosforanowa i energetyczna
- hamowanie w sprzężeniu zwrotnym
- regulacja z udziałem pierwiastków śladowych
- regulacja tlenowa
- regulacha innymi czynnikami, np. temp, pH
139
rola wtórnych metabolitów ma silny związek z
- ochroną producentów przed stresem środowiskowym
- antagonistycznymi relacjami między organizmami
- zwiększeniem szansy przetrwania producentów w środowisku przez współzawodnictwo o przestrzeń, regulacje szybkości i kierunków procesów metabolicznych, rywalizację o składniki pokarmowe, modyfikacje morfologiczne i fizjologiczne
140
pigementy bakteryjne funkcje
1. fotosynteza i ochrona przed fotooksydacją u bakterii
2. procesy niefotosyntetyczne i ochrona przed fotouszkodzeniami - S. ruber
3. pozyskiwanie żelaza - siderofory
4. związek defensywny - funkcja ochronna przed szkodliwymi czynnikami środowiskowymi, stresem osmotycznym, odpowiedzią immunologiczną
5. związki ofensywne - działanie przeciw bakteriom, grzybom itp
