Mikrobiell ekologi och det mänskliga mikrobiomet

Question 1

Ange tre exempel på hur bakterier och arkéer kan påverka sin kemiska miljö genom sin
metabolism.

Answer 1

• aerob and anaerob respiration: Processen av att skapa energi genom cellandning, med syre eller utan syre (tex metanogener).
• oxygen fotoautotrofi: Syre bildas av organismer med CO2 som kolkälla.
• fermentation: process som utvinner energi ur kolhydrater i en syrefri miljö.
• kemolitoautotrofi: organismer som får energi från oxidation av ett icke-organiskt/oorganiskt ämne och har CO2 som kolkälla.

Question 2

Vad menar man med “miljö” inom biogeografin? (annorlunda än hur vi använder det i dagligt tal)

Answer 2

Ekologi kan studeras på många olika nivåer, som global, ekosystem, samhälle, population eller individ nivå. Miljö inom biogeografin kan vara allt från en liten pöl eller i ett djurs tarm till hela jorden.

Question 3

Hur påverkar miljön vilken metabolism-typ som dominerar?

Answer 3

Förhållanden i olika delar av en miljö avgör vilken typ av organismer kan överleva/frodas. Tex i en sjö finns oxygena fototrofer som cyanobakterier och aerober högt upp i vattenmassan då solljus kommer dit och syre finns. På botten är miljön anoxygen och ljusfattig vilket innebär att organismer med respiration av annat än syre kan leva där, tex organismer som utför denitrifikation eller järnreduktion eller fermentation.

Question 4

Hur fungerar biogeokemiska cykler kortfattat?

Answer 4

Slutprodukten från en process blir startprodukten för en annan.

Question 5

Kolcykeln är en förutsättning för livet idag. Förklara vad följande centrala begrepp innebär: autotrofi, primärproduktion, metanogenes, metanotrofi, nedbrytning

Answer 5

Autotrofi: fotoautotrofa organismer assimilerar CO2 och producerar organiska föreningar. Detta kallas Primärproduktion (omvandling av oorganiska ämnen till organiska ämnen)
Metanogenes: metan frigörs i anaerob respiration
Metanotrofi: metan fungerar både som energikälla
och kolkälla (metanoxidation)
Nedbrytning: Nedbrytning av organiskt kol till CO2. Görs bl.a. av kemoorganoheterotrofer via respiration eller fermentation.

Question 6

Ekosystem kan vara fällor eller källor, vad innebär det?

Answer 6

Fällor eller källor för växthusgaser. Fällor lagrar mer CO2 än de släpper ut och källor släpper ut mer än de lagrar. Utan mänsklig påverkan finns balans men med mänsklig påverkan kan tex en skog (som traditionellt är en fälla) bli en källa istället med avverkning.

Question 7

Förklara vad följande centrala begrepp i kvävecykeln innebär: kvävefixering, denitrifikation, nitrifikation,
nedbrytning.

Answer 7

Kvävefixering: Fixering av kvävgas till ammoniak av bakterier och arkéer som i sin tur kan inkorporeras i organiska föreningar eller användas i anabolismen hos växter och mikroorganismer.
Denitrifikation: Nitrat (NO3-) –> fritt kväve (N)
Nitrifikation: Nitrit (NO2-) -> nitrat (NO3-) (innan det nitrosifiering: ammoniak -> nitrit)
Nedbrytning: Ammonifiering av kväve. N –> NH3. Detta görs av de flesta organismer, även vi.

Question 8

Ge ett exempel på en metoder för studier av mikrobiell diversitet i naturen.

Answer 8

Det vanligaste idag är att man använder metagenomik (sekvenserar många olika genom från ett prov) och studerar 16S rRNA-sekvenser (lilla subenheten av ribosomer) och bestämmer mängden OTUs (Operation taxonomic units).

Man kan sedan använda en så kallad “Rarefaction curve” för att få fram hur väl samhällets diversitet är beskrivet.

Question 9

Vad innebär biogeografi? Vad är skillnaden på historisk och ekologisk biogeografi?

Answer 9

Biogeografi är den disciplin inom biologin som studerar nuvarande och tidigare distributionsmönster för biologisk mångfald och deras underliggande miljömässiga och historiska orsaker.

• Historisk biogeografi: artbildning,
  spridning, utdöenden
• Ekologisk biogeografi: nuvarande
  miljöfaktorer

Question 10

Baas-Becking sade år 1934 följande: “Everything is everywhere, but the environment selects” gällande mikroorganismer. Vad menas med detta? När är det sant och när är det inte det?

Answer 10

På den tiden visste man inte lika mycket som idag. Då trodde man att alla mikroorganismer fanns överallt, bara att mängden berodde på vilka som var bäst lämpade för miljön. Han har en bra poäng, då man hittar vissa organismer överallt! Men studerar man olika typer av bakterier kan man tex se att prover från geografiskt nära positioner är mer lika än prover från annan kontinent osv. Spridningsbegränsning finns, tex mellan arter i heta källor på stort djup.

Question 11

Vilka egenskaper hos mikroorganismer gör att de i princip finns överallt?

Answer 11

Förklaring:
•Små celler som sprids lätt
•Vilstadier som överlever spridning
•Snabb tillväxt

Question 12

Förklara varför mikroorganismer kan vara bra modellsystem i ekologisk forskning.

Answer 12

Den största födelen är att på grund av den lilla storleken kan man göra småskaliga men omfattande ekologiska experiment. Ett experiment med makroorganismer skulle behöva många kvm medan ett liknande experiment kan göras med mikroorganismer på en liten platta på lab.

Question 13

Olika mikroorganismer dominerar på olika delar av kroppen, därför kan människokroppen betraktas som en miljö inom biogeografin. Ge fem exempel på olika miljöfaktorer på kroppen som påverkar sammansättningen av mikrobsamhällen.

Answer 13

Många faktorer påverkar, och sammansättningen skiljer sig från person till person. Några generella faktorer är:

• pH
• syrgas
• näringsämnen
• fukt
• temperatur

Question 14

Vid studier av hur människans mikrobiom är sammansatt och vilka organismer som kan orsaka sjukdom insåg man att man behövde veta hur ett friskt mikrobiom såg ut. Hur har vi gjort och vad har vi hittat?

Answer 14

Human microbiome project pågick 2008-2016 och nu håller Global gut project på (ca 10000 individer).
Det man sett är att det finns stor diversitet mellan individer men att generella grupper har liknande. Olika djur skiljer sig från varandra.

Question 15

Hur ser tarm-mikrobernas utveckling över tid?

Answer 15

Man föds steril men direkt efter födsel påbörjas kolonialiseringen av mag-tarmkanalen. Beroende på om man föds vaginalt eller med kejsarsnitt och om man ammar eller inte så skiljer sig mikrobiomet lite men dessa skillnader minskar över tid och vid 3 års stabiliseras det och ens tarm-mikrober liknar dem man bor meds.

Question 16

Ge tre exempel på viktiga tjänster vår mikrobiota utför.

Answer 16

• syntetiserar essentiella vitaminer och aminosyror
• hjälper oss spjälka mat-beståndsdelar vi inte kan bryta ner själva.
• utvecklar och tränar immunsystemet
• modifierar nervsystemet
  etc.

Question 17

Ge två exempel på hur vi skapar förståelse för kopplingen mellan människans mikrobiom och hälsa?
Ange minst en för- och nackdel med vardera.

Answer 17

Vi kan genomföra så kallade gnotobiotiska djurmodeller, vilket innebär att man föder upp helt sterila djur med kejsarsnitt, tex möss (kloner) och sedan kan man introducera olika mikrobiom och studera utfall. En fördel med detta är att man kan få väldigt bra kontroll vid djurmodeller och att det går att få identiska kloner att testa på relativt enkelt. En nackdel är att små djur som möss skiljer sig från människor så det är inte säkert att samma resultat fås för oss.

Ett annat sätt är genom observationsstudier av människor, men det finns många nackdelar. Nackdelar innefattar att det är svårt att kontrollera exakt vad människor äter (folk glömmer också), att korrelation inte måste innebära orsak (alltså att om överviktiga personer har X skillnader i mikrobiomet från en normalviktig betyder det inte nödvändigtvis att skillnaderna beror på den skillnaden). Fördel: ger oss bättre förståelse överlag.

Question 18

Ge exempel på hur mikrobiomet i mun, hud och vagina kan påverka hälsa och förklara hur.

Answer 18

Mun: Saliv är en ogästvänlig miljö, men biofilm är vanligt munnen. Plack: tjock biofilm med hög diversitet bakterier och ibland arkéer. Dålig munhälsa är associerat med hjärt- och kärlsjukdomar, diabetes,
lunginflammation, artrit men den mekanistiska kopplingen är oklar.

Hud: Huden är en torr och sur miljö där specialiserade bakterier lever, mest aktinobakterier och firmicutes, men även jäst och arkéer. kolonialisering av “ofarliga” mikroorganismer förhindrar etablering av patogener.

Vagina: Vaginan domineras av lactobaciller (Firmicutes) som fermenterar glykogen och bildar mjölksyra, pH ca 5. Olika lactobaciller olika bra på att skydda mot ohälsa. Vid miljöförändringar som t ex ändring i pH kan infektion uppstå, tex svampen Candida för att lactobacillerna inte är i optimal miljö.

Question 19

Varför kan intag av antibiotika vara ett problem för mikrobiotan?

Answer 19

Antibiotika (särskilt sorter med brett spektrum) kan döda bakterier vi “behöver” i tarmfloran. Problemet med detta är inte bara att vi förlorar bakterier som gör nytta utan att det då finns utrymme för potentiellt patogena mikroorganismer att kolonialisera tarmen istället.

Vuxna återhämtar sig oftast vid AB behandling men små barn och äldre kan få problem.

Question 20

Vad innebär “fekal transplatation”?

Answer 20

Fekal transplantation innebär att man introducerar ett mikrobiellt samhälle från en frisk person in i en patient med rubbad tarmflora med kolonoskopi. Detta har visat sig mycket effektivt för att förhindra kolonialisering av opportunistiskt patogena mikrober som tex C. difficile.

Question 21

Vad är probiotics och prebiotics?

Answer 21

Probiotice/probiotika innebär att levande mikrobiella kulturer introduceras genom att ätas, tex kimchi, surkål, kombutcha, yoghurt. Detta har i dagsläget en begränsad effekt eftersom få mikrober överlever magsyran.

Prebiotics innebär att man försöker gynna specifika organismer i mikrobiotan genom att inta saker som är “bra” för dem, ofta genom föda. Tex banan.