Informácie

8.4: Klasifikácia mikroorganizmov - Biológia

8.4: Klasifikácia mikroorganizmov - 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.

8.4: Klasifikácia mikroorganizmov

Význam mikrobiológie

Mikrobiológia je v podstate štúdium biologických organizmov, ktoré sú príliš malé na to, aby ich bolo možné vidieť voľným okom (bez použitia takých nástrojov, ako je lupa alebo mikroskop atď.). Mikrobiológia sa preto venuje štúdiu života a charakteristík širokej škály organizmov, od baktérií a archeí až po parazitické červy v ich prostredí.

Táto disciplína sa používa na učenie sa o všetkých aspektoch organizmov, aby sa nielen určilo, ako žijú vo svojom prostredí, ale aj to, ako ovplyvňujú svoje príslušné okolie a tým aj iné organizmy okolo nich (ľudia, zvieratá atď.).

Mikrobiológia sa ukázala ako jedna z najdôležitejších disciplín v biológii, ktorá umožňuje identifikovať, ako niektoré z týchto organizmov spôsobujú choroby, objavovať lieky na takéto choroby a dokonca využiť niektoré mikróby na priemyselné účely atď.

Niektoré z oblastí, na ktoré sa mikrobiológovia môžu špecializovať, zahŕňajú:

  • Imunológia
  • Biológia pôdy
  • Priemyselná mikrobiológia
  • Biotechnológia
  • Biogeochémia
  • Mikrobiálna genetika
  • Vodná mikrobiológia

* Hoci mikrobiológia je z väčšej časti opísaná ako náuka o mikroorganizmoch (tých, ktoré nie je možné vidieť voľným okom), také skupiny ako riasy a huby obsahujú organizmy, ktoré si na ich pozorovanie nevyhnutne nevyžadujú použitie špeciálnych nástrojov. Preto mikrobiológia zahŕňa aj množstvo organizmov, ktoré nespadajú do tradičnej definície.


Halofily: biológia, adaptácia a ich úloha pri dekontaminácii hypersalinného prostredia

Jedinečný bunkový enzymatický mechanizmus halofilných mikróbov im umožňuje prosperovať v extrémnom slanom prostredí. To, že tieto mikroorganizmy môžu prosperovať v hypersalinnom prostredí, koreluje so zvýšeným obsahom kyslých aminokyselín v ich proteínoch, ktoré zvyšujú negatívny povrchový potenciál proteínov. Pretože tieto mikroorganizmy efektívne využívajú uhľovodíky ako svoj jediný zdroj uhlíka a energie, môžu sa ukázať ako cenné bioremediačné činidlá na úpravu slaných odpadových vôd a hypersalinických vôd kontaminovaných toxickými zlúčeninami, ktoré sú odolné voči degradácii. Tento prehľad zdôrazňuje rôzne stratégie prijaté halofilmi na kompenzáciu ich slaného prostredia a zahŕňa opisy nedávnych štúdií, ktoré použili tieto mikroorganizmy na bioremediáciu prostredí kontaminovaných ropnými uhľovodíkmi. Zhrnuté sú aj známe mikróby produkujúce halotolerantnú dehalogenázu, ich dehalogenačné mechanizmy a ako sú ich proteíny stabilizované. Vzhľadom na ich robustnosť v slanom prostredí si úsilie o zdokumentovanie ich plného potenciálu, pokiaľ ide o sanáciu kontaminovaných hypersalinných ekosystémov, zaslúži ďalší prieskum.

Toto je ukážka obsahu predplatného, ​​prístup cez vašu inštitúciu.


Huby

Huby sú eukaryotické organizmy, ktoré majú rovnako ako riasy pevné bunkové steny a môžu byť jednobunkové alebo mnohobunkové. Niektoré môžu mať mikroskopickú veľkosť, zatiaľ čo iné tvoria oveľa väčšie štruktúry, ako sú huby a huby, ktoré rastú v pôde alebo na vlhkých kmeňoch. Huby na rozdiel od rias neobsahujú chlorofyl, a preto nemôžu vykonávať fotosyntézu. Huby neprijímajú potravu, ale musia absorbovať rozpustené živiny z prostredia. Z húb klasifikovaných ako mikroorganizmy sa tie, ktoré sú mnohobunkové a vytvárajú vláknité mikroskopické štruktúry, často nazývajú plesne, zatiaľ čo kvasinky sú jednobunkové huby.

Vo formách majú bunky valcový tvar a sú pripevnené koncami k sebe, aby vytvorili vláknité vlákna (hýfy), ktoré môžu niesť spóry. Jednotlivé hýfy majú mikroskopickú veľkosť. Keď sa však nahromadí veľké množstvo hýf – napríklad na krajci chleba alebo ovocnom želé – vytvoria hmlistú hmotu nazývanú mycélium, ktorá je viditeľná voľným okom.

Jednobunkové kvasinky majú mnoho foriem, od guľovitých cez vajcovité až po vláknité. Kvasinky sú známe svojou schopnosťou fermentovať uhľohydráty, produkujúc alkohol a oxid uhličitý v produktoch, ako je víno a chlieb.


Mikrobiálne fungovanie sa vzťahuje na mikrobiálnu aktivitu, pretože iba aktívne mikroorganizmy riadia biogeochemické procesy. Napriek dôležitosti aktívny mikroorganizmov, väčšina metód sa zameriava na odhad Celkom mikrobiálnej biomasy a nedokážu vyhodnotiť jej aktívnu frakciu. Najprv sme opísali rozdiely medzi aktívny, potenciálne aktívny, a nečinný mikrobiálne stavy v pôde a navrhované prahové hodnoty parametrov na ich identifikáciu. Po druhé, kriticky sme zhodnotili schopnosť širokej škály prístupov odhadnúť a charakterizovať aktívne a potenciálne aktívne mikroorganizmy v pôde. Boli hodnotené tieto prístupy: počítanie na platniach a mikrobiálne kultúry priama mikroskopia kombinovaná s farbením buniek ATP, PLFA, DNA a RNA mikročipové analýzy. „Statické“ prístupy, založené najmä na jednostupňovom stanovení bunkových zložiek (ATP, DNA, RNA a molekulárne biomarkery), dobre detegujú prítomnosť mikroorganizmov a celkovej biomasy, ale nedokážu vyhodnotiť aktívnu zložku a následne funkcie. Naproti tomu dynamické prístupy, odhadujúce zmeny týchto parametrov počas mikrobiálneho rastu a založené na procesných rýchlostiach: využitie substrátu a tvorba produktu, napr. dýchanie, pomáhajú vyhodnotiť aktívnu mikrobiálnu biomasu a priradiť ju k špecifickým procesným rýchlostiam. Na základe porovnania všetkých prístupov z hľadiska ich univerzálnosti (možnosť analyzovať aktívne, potenciálne aktívne a spiace mikroorganizmy) sme dospeli k záveru, že 1) priama mikroskopia s komplementárnymi farbeniami, 2) kombinácia FISH na báze RNA s farbením celkovej mikrobiálnej biomasy, a 3) prístupy založené na mikrobiálnom raste boli najvýhodnejšie a umožňovali simultánny kvantitatívny odhad aktívny, potenciálne aktívny, a nečinný mikroorganizmov v pôde.

The aktívny mikroorganizmy tvoria len asi 0,1–2 % z nich Celkom mikrobiálnej biomasy a veľmi zriedkavo prekračujú 5 % v pôdach bez vstupu ľahko dostupných substrátov. Napriek tomu zlomok potenciálne aktívny mikroorganizmov (pripravených začať využívať dostupné substráty v priebehu niekoľkých hodín) je oveľa vyššia a podieľa sa 10 až 40 % (až 60 %) z celkovej mikrobiálnej biomasy. Preto zdôrazňujeme úlohu o potenciálne aktívny mikroorganizmy s rýchlou odozvou na kolísavý vstup substrátu do pôdnych mikrobiotopov a hotspotov.

Prechod z potenciálne aktívneho do aktívneho stavu nastáva v minútach až hodinách, ale prechod z pokojového do aktívneho stavu trvá hodiny až dni. Napriek veľmi rýchlej aktivácii si spätný proces – prechod do potenciálne aktívneho a pokojového štádia – vyžaduje oveľa dlhšie obdobie a je veľmi odlišný pre jednotlivé kritériá: ATP, DNA, RNA, produkcia enzýmov, rýchlosť dýchania. To vedie k ďalším ťažkostiam pri odhade aktívnej časti mikrobiálneho spoločenstva metódami založenými na týchto parametroch. V dôsledku toho je naliehavo potrebná štandardizácia, ďalšie rozpracovanie a široké uplatnenie prístupov zameraných na podiel aktívnych mikroorganizmov v pôde a ich funkcie. Dospeli sme k záveru, že keďže aktívne mikroorganizmy sú výlučne mikrobiálnymi hnacími silami hlavných biogeochemických procesov, v štúdiách zameraných na funkcie pôdy sú potrebné analýzy aktívnych a potenciálne aktívnych frakcií.


Identifikácia mikroorganizmov modernými analytickými technikami

Rýchla detekcia a identifikácia mikroorganizmov je náročným a dôležitým aspektom v širokom spektre oblastí, od medicíny až po priemyselné, ovplyvňujúce ľudské životy. Bohužiaľ, klasické metódy identifikácie mikroorganizmov sú založené na časovo náročných a pracovne náročných prístupoch. Skríningové techniky vyžadujú rýchle a lacné zoskupovanie bakteriálnych izolátov, avšak moderná bioanalytika vyžaduje komplexné bakteriálne štúdie na molekulárnej úrovni. Moderné prístupy na rýchlu identifikáciu baktérií využívajú molekulárne techniky, ako je sekvenovanie génu 16S ribozomálnej RNA na báze polymerázovej reťazovej reakcie alebo elektromigrácie, najmä kapilárna zónová elektroforéza a kapilárna izoelektrická fokusácia. Stále však existuje niekoľko problémov s analýzou mikrobiálnych komplexov pomocou elektromigračnej technológie, ako je nekontrolovaná agregácia a / alebo adhézia k povrchu kapilár. Je teda prezentovaný prístup využívajúci kapilárnu elektroforézu mikrobiálnych agregátov s UV a matricou asistovanej laserovej desorpčnej ionizačnej detekcie MS time-of-flight.


Klasifikácia pod a nad úrovňou druhu

Pod úrovňou druhov

Najmä na epidemiologické účely musia klinickí mikrobiológovia odlíšiť kmene s konkrétnymi znakmi od iných kmeňov rovnakého druhu. Napríklad sérotyp O157:H7 E. coli sú identifikované vo vzorkách stolice kvôli ich asociácii s krvavou hnačkou a následným hemolyticko-uremickým syndrómom.

Pod druhovou úrovňou sú kmene označené ako skupiny alebo typy na základe bežných sérologických alebo biochemických reakcií, citlivosti na fágy alebo bakteriocín, patogenity alebo iných charakteristík. Mnohé z týchto charakteristík sa už používajú a akceptujú: sérotyp, fágový typ, kolicínový typ, biotyp, bioserotyp (skupina kmeňov rovnakého druhu so spoločnými biochemickými a sérologickými charakteristikami, ktoré ich odlišujú od ostatných členov druhu) a patotyp (napr. toxigénne Clostridium difficile, invazívne E. colia toxigénne Corynebacterium diphtheriae).

Nad úrovňou druhov

Okrem označení druhov a poddruhov musia klinickí mikrobiológovia poznať aj rody a čeľade. Rod je skupina príbuzných druhov a čeľaď je skupina príbuzných rodov.

Ideálny rod by pozostával z druhov s podobnými fenotypovými a fylogenetickými vlastnosťami. K tomuto kritériu sa približujú niektoré fenotypovo homogénne rody (Citrobacter, Yersinia, a Serratia). Častejšie je však prítomná fenotypová podobnosť, ale genetická príbuznosť nie. Bacillus, Clostridium, a Legionella sú príklady akceptovaných fenotypových rodov, v ktorých genetická príbuznosť medzi druhmi nie je 50 až 65 percent, ale 0 až 65 percent. Ak nie je prítomná fenotypová a genetická podobnosť, fenotypová podobnosť by sa vo všeobecnosti mala uprednostniť pri stanovovaní rodov. Identifikačné postupy sú zjednodušené tým, že v rovnakom rode sú fenotypovo najpodobnejšie druhy. Primárnou úvahou pre rod je, že obsahuje biochemicky podobné druhy, ktoré je vhodné alebo dôležité považovať za skupinu oddelenú od iných skupín organizmov.

Sekvenovanie génov ribozomálnej RNA (rRNA), ktoré boli počas evolúcie vysoko konzervované, umožňuje vykonať fylogenetické porovnania medzi druhmi, ktorých celkové DNA v podstate nesúvisia. Umožňuje tiež fylogenetickú klasifikáciu na úrovni rodu, čeľade a vyššej taxonomickej úrovne. Údaje o sekvencii rRNA sa zvyčajne nepoužívajú na označenie rodov alebo rodín, pokiaľ nie sú podporované podobnosťami vo fenotypových testoch.


Morfogenéza hyf a kvasiniek

Rast hýf nastáva predĺžením na špičkách. Táto polarizácia je aspoň čiastočne určená smerovým pohybom a akumuláciou vezikúl, ktoré nesú prekurzory steny a stenové syntetázy do miesta exocytózy v apikálnej kupole hýfy (obr. 73-3). Napriek zjavnej jednoduchosti morfogenézy hýf ukázali ultraštrukturálne výskumy sofistikovanú organizáciu organel a cytoskeletálnych prvkov súvisiacich s rastom špičky. Existujú dôkazy, že intususcepcia a polymerizácia chitínových mikrofibríl prebieha na apikálnej kupole hýfy a že biosyntéza tohto hlavného produktu bunkovej steny je riadená aktivitou membránovo viazanej chitínsyntetázy. Zymogénna forma chitínsyntetázy bola zistená v mikrovezikulách nazývaných chitozómy, ktoré zrejme transportujú tento enzým do špičky hýfy. Chitozómy môžu pochádzať z Golgiho teliesok alebo procesom samozostavovania podjednotiek voľne v cytoplazme alebo vo väčších vezikulárnych telieskach. K aktivácii chitínsyntetázy dochádza po fúzii chitozómu s plazmalemou a môže byť spôsobená interakciou membránovo viazanej proteázy a zymogénu. V týchto miestach fúzie sa iniciuje chitínová mikrofibrilogenéza.

Obrázok 73-3

Polarizovaný rast hýf.

Boli predložené aj dôkazy, predovšetkým zo štúdií kvasiniek Saccharomyces cerevisiaeže biosyntéza skeletálnych polysacharidov je katalyzovaná polysacharidovými syntetázami (napr. chitínsyntetázou a 㬡-3-glukánsyntetázou), ktoré sú rovnomerne distribuované v plazmaleme. Tieto steny syntetizujúce enzýmy viazané na bunku a membránu sa vyskytujú buď v zymogénnej alebo aktívnej forme. Model morfogenézy kvasiniek (obr. 73-4) naznačuje, že syntetáza je aktívna na miestach, kde stena rastie, a neaktívna, kde je v kľude. Jednou z možností je, že mikrovezikuly transportujú aktivačné faktory (napr. proteázy, ATP a GTP) do plazmalemy na špecifických miestach biosyntézy steny (zóny vzniku pukov a tvorby septa). Tieto dva koncepty regulácie biosyntézy stien v hubových hýfach a kvasinkách boli podporené značným množstvom dôkazov a je pravdepodobné, že oba sú správne.

Obrázok 73-4

Štádiá (A až F) vzchádzania púčikov a bunkového cyklu kvasiniek.

Predlžovací rast špičiek hýf a púčikov kvasiniek logicky vyžaduje rovnováhu medzi procesmi vkladania novosyntetizovaného polymérneho materiálu a modifikáciou existujúcej mikrofibrilárnej matrice, aby sa prispôsobila expanzia a ďalšie intususcepcia stenových polymérov. Inými slovami, rovnováha medzi syntézou steny a lýzou steny alebo plastifikáciou je nevyhnutná na udržanie riadnych procesov predlžovania špičky hýf a objavenia sa púčikov. Bola hlásená prítomnosť lytických enzýmov v stene húb, vrátane 㬡-3-glukanázy, N-acetyl-β-D-glukózaminadázy a chitinázy. Lokalizácia takejto aktivity môže byť sprostredkovaná makrovezikulami. Tieto organely, podobne ako mikrovezikuly, sú pravdepodobne odvodené z Golgových teliesok a sú nasmerované na špičku hýfy alebo kvasinkového púčika a spájajú sa s plazmalemou, čím dodávajú svoj obsah na miesto syntézy steny.


Pôvod a vývoj MERS-CoV

Zatiaľ čo výskyt SARS zahŕňal palmové cibetky, väčšina skorých prípadov indexu MERS mala kontakt s ťavami dromedármi. Kmene MERS-CoV izolované z tiav boli skutočne takmer totožné s kmeňmi izolovanými z ľudí90,91,92,93,94,95. Okrem toho protilátky špecifické pre MERS-CoV boli vysoko prevládajúce u tiav z Blízkeho východu, Afriky a Ázie13, 14, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103. Infekcie MERS-CoV boli zistené vo vzorkách ťavieho séra odobratých v roku 1983 (odkaz 100), čo naznačuje, že MERS-CoV bol prítomný u ťav najmenej pred 30 rokmi. Analýza genómovej sekvencie ukázala, že MERS-CoV, Tylonycteris netopierí koronavírus HKU4 a Pipistrellus netopierie koronavírusy HKU5 sú fylogeneticky príbuzné (označované ako betakoronavírusová línia C)21. Vírusy v tejto línii majú identické genómové štruktúry a sú vysoko konzervované vo svojich polyproteínoch a väčšine štruktúrnych proteínov, ale ich proteíny S a doplnkové proteíny sú vysoko variabilné. MERSr-CoV sa našli u najmenej 14 druhov netopierov z dvoch rodín netopierov, Vespertilionidae a Nycteridae. Žiadny z týchto MERSr-CoV však nie je priamym progenitorom MERS-CoV, pretože ich proteíny S sa podstatne líšia od proteínov MERS-CoV 98,104,105,106.

Aby sme pochopili evolučné vzťahy medzi MERS-CoV a MERSr-CoV, vytvorili sme fylogenetický strom na základe zarovnania všetkých kódujúcich oblastí (obr. 4b doplnkový obrázok S1b). Fylogenetický strom obsahuje dva hlavné zhluky a niekoľko malých kladov alebo kmeňov. Celkovo je genetická diverzita v rámci vírusových línií L1 a L2 nízka, čo naznačuje, že ľudia a ťavy boli infikovaní vírusmi z rovnakého zdroja v krátkom časovom období. Vírusy L1 zahŕňajú ľudské a ťavie MERS-CoV hlavne z Blízkeho východu (Spojené arabské emiráty, Kráľovstvo Saudskej Arábie, Omán a Jordánsko) a dvoch ázijských krajín (Južná Kórea a Thajsko), ktoré spôsobili prepuknutie v ľudskej populácii. Stojí za zmienku, že prípady hlásené v Južnej Kórei a Thajsku súviseli s prípadmi na Blízkom východe. Vírusy L2 zahŕňajú ťavie MERS-CoV z Afriky (Nigéria, Burkina Faso a Etiópia) a jednej krajiny Blízkeho východu (Maroko), pričom tieto vírusy nespôsobili žiadnu ľudskú infekciu. Je zrejmé, že tieto dve vírusové línie zdieľajú spoločného predka, ale líšia sa vo svojom potenciáli spôsobiť ľudské infekcie. Kmeň MERSr-CoV Neoromicia/5038 (GenBank č. MF593268) izolovaný v Južnej Afrike bol vo fylogenetickom strome najbližší príbuzný MERS-CoV. Celkovo všetky MERSr-CoV izolované z netopierov podporujú hypotézu, že MERS-CoV pochádza z netopierov. Vzhľadom na fylogenetickú priepasť medzi netopiermi MERSr-CoV a ľudskými a ťavami MERS-CoV by však mali existovať ďalšie vírusy, ktoré sa ešte nedajú identifikovať, ktoré cirkulujú v prírode a priamo prispievajú k vzniku MERS-CoV u ľudí a ťavy. Dúfajme, že takéto vírusy sa v budúcnosti nájdu u netopierov.

Nie je prekvapením, že pri vývoji a vzniku MERS-CoV 94,105,107,108,109 došlo k rekombináciám. Fylogenetické stromy skonštruované pomocou kódovania génov orf1ab a S boli inkongruentné so stromovou topológiou kompletného genómu, čo naznačuje potenciálnu rekombináciu v týchto génoch108. Početné rekombinácie naznačujú, že MERS-CoV vznikol z výmeny genetických prvkov medzi rôznymi vírusovými predkami, vrátane tých, ktoré boli izolované z tiav a predpokladaných prirodzených hostiteľských netopierov94,105,107,110,111.


Celulázy

Joana L.A. Brás, . Carlos M.G.A. Fontes, v Metódy v enzymológii, 2012

6 Zhrnutie

Anaeróbne mikróby produkujú pozoruhodne účinný nanostroj na dekonštrukciu polysacharidov bunkovej steny rastlín, ktorý bol po objavení pred viac ako 20 rokmi nazvaný celulóza. Celulázy a hemicelulázy sú zostavené do multienzýmových komplexov prostredníctvom vysoko afinitnej interakcie medzi doménami dockerínu typu I modulárnych enzýmov a modulmi kohezínu typu I nekatalytického skafoldínu (obr. 21.4). Predpokladá sa, že integrácia mikrobiálnych biokatalyzátorov do celulózy zosilňuje katalýzu prostredníctvom maximalizácie synergizmu enzýmov poskytovaných blízkosťou enzýmu a účinným zacielením substrátu. Existujú podstatné štrukturálne a funkčné dôkazy, ktoré naznačujú, že celulózové dockeríny vykazujú dvojité kohezínové väzbové rozhranie. Režim dvojitej väzby vyjadrený komplexmi kohezín-dockerín môže zaviesť zvýšenú flexibilitu v kvartérnej organizácii multienzýmového komplexu, čím sa zosilní hydrolýza prevažne nerozpustného substrátu. Nedávno sa ukázalo, že interakcia kohezín-dockerín je v prírode pomerne rozšírená a môže spĺňať veľký rozsah, väčšinou v súčasnosti neznámych funkcií, ktoré ešte treba opísať.

Obrázok 21.4. Režim dvojitej väzby komplexov kohezín-dockerín. Stužkové znázornenie superpozície dockerínových modulov natívneho komplexu kohezín-dockerín typu I (svetlosivá) s mutantným komplexom S45A-T46A (tmavosivá) v C. thermocellum. Pre zjednodušenie je znázornený iba jeden kohezínový modul. Vložka ukazuje detailnejší pohľad na kontakty kohezín-dockerín a na takmer dokonalú superpozíciu helixov 1 a 3 oboch komplexov. V mutantnom komplexe helix-1 (obsahujúci Ser-11 a Thr-12) dominuje vo väzbe, zatiaľ čo v natívnom komplexe hrá helix-3 (obsahujúci Ser-45 a Thr-46) kľúčovú úlohu pri rozpoznávaní ligandu. Ser-11, Thr-12, Ser-45 a Thr-46, ktoré interagujú s kohezínovým modulom, sú znázornené ako modely s guľôčkou a palicou.


Pozri si video: Biológia 5,6 Vodné vtáky Cinclus Cinclus (Jún 2022).