Informácie

20: Mikrobiálne symbiózy – biológia

20: Mikrobiálne symbiózy – biológia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Symbióza, presne definovaný, sa vzťahuje na intímny vzťah medzi dvoma organizmami. Hoci veľa ľudí používa tento výraz na opis vzťahu prospešného pre oboch účastníkov, samotný pojem nie je taký špecifický. A vzájomný vzťah je taký, z ktorého majú prospech obaja partneri, kým a komenzalistický vzťah je výhodný pre jedného partnera, ale nie pre druhého. V patogénny vzťah, jeden partner profituje na úkor druhého. Táto kapitola sa zaoberá niekoľkými príkladmi symbiózy, kde jedným z partnerov sú mikróby.

Ľudský mikrobióm

Ľudský mikrobióm opisuje gény spojené so všetkými mikróbmi, ktoré žijú v človeku a na ňom. Všetkých 10^14! Mikróby sú väčšinou baktérie, ale môžu zahŕňať archaea, huby a eukartyotické mikróby. Lokality zahŕňajú kožu, horné dýchacie cesty, žalúdok, črevá a urogenitálny trakt. Kolonizácia nastáva krátko po narodení, keď deti získavajú mikróby od ľudí, povrchov a predmetov, s ktorými prichádzajú do kontaktu.

Črevné mikróby a ľudský metabolizmus

Väčšina mikróbov spojených s ľudským telom sa nachádza v črevách, najmä asi 1-4 hodiny po jedle, keď sa mikrobiálna populácia dramaticky zvyšuje. Črevná mikroflóra je mimoriadne rôznorodá a odhaduje sa, že v ľudskom gastrointestinálnom trakte žije 500 – 1 000 druhov baktérií (typicky opísané ako 5 – 8 libier baktérií!).

Črevné mikróby sú nevyhnutné pre trávenie a výživu hostiteľa, pomáhajú pri trávení rozkladom uhľohydrátov, ktoré ľudia nedokážu rozložiť sami, uvoľňovaním mastných kyselín s krátkym reťazcom z nestráviteľnej vlákniny. Okrem toho produkujú vitamíny ako biotín a vitamín K.

Črevné mikróby a obezita

Zvýšil sa záujem o mikrobiálnu populáciu čriev kvôli možnosti, že by mohla hrať úlohu pri obezite. Hoci je to v súčasnosti hypotetické, výskum ukázal, že obézne myši majú mikrobiálnu črevnú komunitu, ktorá sa líši od mikróbov nachádzajúcich sa v črevách neobéznych myší, pričom Firmicutes baktérie a metanogénne Archaea. Bolo navrhnuté, že tieto mikróby sú účinnejšie pri vstrebávaní živín.

Ľudský mikrobióm a choroby

Ukázalo sa, že zmeny mikrobioty sú spojené s chorobnými stavmi resp dysbióza. Predbežný výskum ukázal, že mikrobiota môže byť okrem obezity spojená aj s reumatoidnou artritídou, kolorektálnym karcinómom, cukrovkou.

Výskum

Projekt ľudského mikrobiómu (HMP) bol medzinárodný výskumný program so sídlom v USA, ktorý bol zameraný na funkcie črevnej mikroflóry. Asi 200 výskumníkov použilo pokročilé techniky sekvenovania DNA, aby určili, aké mikróby sú prítomné a v akých populáciách.

Mnohé súčasné výskumné projekty sú zamerané na určenie úlohy ľudského mikrobiómu v zdraví aj chorobnom stave. Niet pochýb o tom, že naše vedomosti budú naďalej rásť, keď budeme zisťovať viac o obrovských populáciách mikróbov, ktoré žijú v nás a na nás.

Biofilmy

Biofilmy sú komplexnou agregáciou buniek, ktoré sú obalené v excelulárnej matrici a pripojené k povrchu. Bioformy sa môžu vytvárať takmer na akomkoľvek povrchu a sú bežné v prírode a priemysle, nachádzajú sa na povrchoch skál, jaskýň, potrubí, trupov lodí, nádob na varenie a lekárskych implantátov, aby sme vymenovali aspoň niektoré. Existujú tiež dlho, pretože fosílne záznamy ukazujú dôkazy o biofilmoch spred 3,4 miliardy rokov!

Mikrobiálne spoločenstvo biofilmu môže byť zložené z jedného alebo dvoch druhov, ale častejšie obsahuje mnoho rôznych druhov baktérií, z ktorých každý ovplyvňuje expresiu a rast ostatných génov.

Vývoj biofilmu

Základné kroky tvorby biofilmu možno rozdeliť do štyroch krokov:

  1. Bunková dispozícia a prichytenie – aby došlo k rozvoju biofilmu, voľne plávajúce resp planktonické bunky musia naraziť na vhodný povrch. Typicky bol povrch vopred upravený nánosmi environmentálnych proteínov a iných molekúl.
  2. Kolonizácia – dochádza k signalizácii medzi bunkami, čo vedie k expresii génov špecifických pre biofilm. Tieto gény sú spojené s komunálnou produkciou extracelulárny polymér DNA uvoľnená niektorými bunkami môže byť prijatá inými, čím sa stimuluje expresia nových génov.
  3. Zrenie – matrica EPS plne obklopuje všetky bunky, pretože biofilm pokračuje v zahusťovaní a raste a vytvára komplexnú dynamickú komunitu. Vodné kanály sa tvoria v celej štruktúre.
  4. Oddeľovanie a odlupovanie – jednotlivé bunky alebo kúsky biofilmu sa uvoľňujú do prostredia formou aktívneho rozptýlenia. Toto uvoľňovanie môže byť spustené environmentálnymi faktormi, ako je koncentrácia živín alebo kyslíka.

    Vývoj biofilmu. Každé štádium vývoja v diagrame je spárované s mikrofotografiou vyvíjajúceho sa biofilmu Pseudomonas aeruginosa. Všetky mikrofotografie sú zobrazené v rovnakej mierke. Autor D. Davis [CC BY 2.5], prostredníctvom Wikimedia Commons

Bunkové výhody biofilmov

Prečo sa bioformy vyvíjajú? Existujú určité výhody, ktoré majú bunky v biofilme oproti ich planktónovému rastu. Azda najdôležitejšie je, že biofilmy ponúkajú bunkám zvýšenú ochranu pred škodlivými podmienkami alebo látkami, ako je UV svetlo, fyzikálne rozrušenie, antimikrobiálne látky a fagocytóza. Ukázalo sa, že baktérie v biofilme sú až tisíckrát odolnejšie voči antibiotikám ako voľne plávajúce bunky!

Biofilm tiež umožňuje bunkovej populácii takpovediac „zapustiť korene“, aby mohla zostať v tesnej blízkosti oblasti bohatej na živiny. Napríklad biofilm, ktorý sa vytvorí na potrubnom potrubí v mliekarenskom závode, bude mať nepretržitý prístup k čerstvým potravinám, čo je oveľa lepšie, ako keď ho zmietnu spolu s konečným produktom.

Nakoniec biofilmy umožňujú bunkám rásť v mikrobiálnych populáciách, kde môžu ľahko využívať komunikáciu medzi bunkami a genetickú výmenu.

Vplyv biofilmu

Biofilmy majú obrovský vplyv v mnohých rôznych typoch priemyslu. Lekárske implantáty od katétrov po umelé kĺby sú obzvlášť náchylné na tvorbu biofilmu, čo vedie k obrovským problémom pre medicínsky priemysel. Biofilmy sú zodpovedné za mnohé chronické infekcie v dôsledku ich zvýšenej odolnosti voči antimikrobiálnym zlúčeninám a antibiotikám. Druh biofilmu, ktorý postihuje takmer každého, je tvorba zubného povlaku, ktorý môže viesť k tvorbe kavity.

Okrem medicíny ovplyvňujú biofilmy takmer akýkoľvek priemysel, ktorý sa spolieha na potrubia na dopravu vody, potravín, oleja alebo iných tekutín, kde je kvôli ich odolnosti obzvlášť ťažké úplne odstrániť biofilm.

Quorum Sensing

Slovo kvórum sa vzťahuje na minimálny počet členov potrebných na to, aby organizácia podnikala, ako je napríklad hlasovanie. Zisťovanie kvóra sa týka schopnosti niektorých baktérií komunikovať spôsobom závislým od hustoty, čo im umožňuje oddialiť aktiváciu špecifických génov, kým to nie je pre populáciu najvýhodnejšie.

Snímanie kvóra zahŕňa komunikáciu medzi bunkami pomocou malých difúznych látok známych ako autoinduktory. Autoinduktor je produkovaný bunkou, difunduje cez plazmatickú membránu, aby sa uvoľnil do prostredia. Keď sa populácia buniek v prostredí zvyšuje, zvyšuje sa aj koncentrácia autoinduktora, čo spôsobuje, že molekula difunduje späť do jednotlivých buniek, kde spúšťa aktiváciu špecifických génov.

Snímanie kvóra v bioluminiscenčných baktériách.

Príklad detekcie kvóra

Jedným z najlepšie študovaných príkladov snímania kvóra je vzájomný vzťah medzi bioluminiscenčnou baktériou Aliivibrio fischeria chobotnica bobtailová. Chobotnica bobtailová má v skutočnosti svetelný orgán, ktorý sa vyvinul na umiestnenie baktérie, pričom sa spolieha na svoju luminiscenciu, ktorá poskytuje maskovací efekt proti predátorom. Pri nízkej hustote buniek by luminiscencia neposkytla požadovaný účinok, čo by predstavovalo plytvanie energiou bakteriálnou populáciou. Preto sa používa zisťovanie kvóra tak, aby lux gén, ktorý kóduje enzým luciferázu potrebný na luminiscenciu, sa aktivuje len vtedy, keď má bakteriálna populácia dostatočnú hustotu.

Kľúčové slová

symbióza, mutualistický, komenzalistický, patogénny vzťah, ľudský mikrobióm, dysbióza, Projekt ľudského mikrobiómu (HMP), biofilm, planktón, extracelulárne polymérne látky/EPS, snímanie kvóra, autoinduktor.

Základné otázky/ciele

  1. Čo je to symbióza? Aké sú rôzne konkrétne príklady symbióz?
  2. Ako je definovaný ľudský mikrobióm? Aké mikróby zahŕňa?
  3. Aký vplyv má alebo môže mať ľudský mikrobióm na svojho hostiteľa?
  4. Čo sú biofilmy? Kde sa tvoria?
  5. Aké sú kroky vedúce k tvorbe biofilmu?
  6. Aký úžitok majú bunky z existencie v biofilme? Aké sú dopady biofilmov na ľudí?
  7. Čo je to quorum sensing? Ako mechanizmus funguje?
  8. Opíšte príklad Aliivibrio fischeri a chobotnica bobtailová. Akú úlohu zohráva snímanie kvóra vo vzťahu medzi týmito dvoma organizmami?