8. Биологическое значение плазмид и мигрирующих элементов в изменчивости и эволюции микроорганизмов.

Многие плазмиды не вызывают заметных изменений в фенотипе своих хозяев. Другие, напротив, ответственны за проявление у клетки-хозяина свойств, помогающих ей выжить в определённых условиях окружающей среды, и без этих плазмид бактерии погибали бы или их рост замедлялся.

Функции плазмид в клетке чрезвычайно разнообразны. К ним относят: 1. перенос генетического материала при конъюгации — F-плазмида; 2. плазмиды бактериоциногенности контролируют синтез белков, летальных для других бактерий — Col-плазмиды; 3. синтез гемолизинов — Hly-плазмиды (являются конъюгативными); 4. устойчивость к тяжёлым металлам; 5. устойчивость к антибиотикам (R-плазмиды); 6. синтез энтеротоксинов — Ent-плазмиды; 7. устойчивость к УФ-излучению; 8. синтез антигенов, обеспечивающих адгезию бактерий на клетках в организме человека и животных — плазмиды антигенов колонизации; 9. система рестрикции-модификации; 10. расщепление камфоры (плазмида САМ), ксилола (плазмида XYL), салицилата (плазмида SAL) (обнаружены у некоторых штаммов Pseudomonas).

Основные функции IS-последовательностей — регуляция активности генов бактериальной клетки (могут инактивировать гены, в которые включились, или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего либо выключающего транскрипцию соответствующих генов), индукция мутаций типа делеций или инверсий (при перемещении) и дупликаций (при встраивании в хромосому), координация взаимодействий плазмид, траспозонов и профагов (как между собой, так и бактериальной хромосомой).

Каждый транспозон (Tn-элементы) обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам. Поскольку транспозоны содержат гены, определяющие фенотипически выраженные признаки (например, устойчивость к антибиотикам), то их легче обнаружить, чем IS-элементы. В общем, для транспозонов характерны те же гены, что и для плазмид (гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования, дополнительных ферментов метаболизма).

9. Сообщества бактерий – биопленки: их структура, экспрессия бактериальных генов в состоянии биопленок.

Биоплёнка — множество (конгломерат) микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности, клетки которых прикреплены друг к другу. Обычно клетки погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество (внеклеточный матрикс) — слизь. Развитие биоплёнки, а иногда и саму биоплёнку также называют биообрастанием.

Термин «биоплёнка» определяется по-разному, но в целом можно сказать, что биоплёнка — обладающее пространственной и метаболической структурой сообщество (колония) микроорганизмов, расположенных на поверхности раздела сред и погружённых во внеклеточный полимерный матрикс. Обычно биоплёнки образуются в контакте с жидкостями при наличии необходимых для роста веществ. Поверхность, к которой прикреплена биоплёнка, может быть как неживой (камни), так и поверхностью живого организма (стенки кишечника, зубы). Считается, что 95-99% всех микроорганизмов в естественной среде существует в виде биоплёнки.

Микроорганизмы образуют биоплёнку под влиянием ряда факторов, включая клеточное распознавание мест прикрепления к поверхности и наличие питательных или агрессивных веществ, кислорода и т. д. В режиме образования биоплёнки клетка меняет своё поведение, что обуславливается регуляцией экспрессии генов.

Выделяют пять стадий развития биоплёнки:

1. Сначала происходит первичное прикрепление микроорганизмов к поверхности (адгезия, сорбция) из окружающей среды (обычно жидкости). Эта стадия обратима.

2. Окончательное (необратимое) прикрепление, иначе называемое фиксацией. На этой стадии микробы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочную адгезию.

3. Созревание (в англоязычной литературе — созревание-I). Клетки, прикрепившиеся к поверхности, облегчают прикрепление последующих клеток, внеклеточный матрикс удерживает вместе всю колонию. Накапливаются питательные вещества, клетки начинают делиться.

4. Рост (в англоязычной литературе — созревание-II). Образована зрелая биоплёнка, и теперь она изменяет свой размер и форму. Внеклеточный матрикс служит защитой клеток от внешних угроз.

5. Дисперсия (выброс бактерий): в результате деления периодически от биоплёнки отрываются отдельные клетки, способные через некоторое время прикрепиться к поверхности и образовать новую колонию.

Много различных бактерии образуют биопленки, в том числе грамположительные (например, Bacillus spp., Listeria monocytogenes, Staphylococcus spp, и молочнокислые бактерии, включая Lactobacillus plantarum и Lactococcus lactis) и грамотрицательные виды (например, кишечная палочка, или синегнойной палочки). Биопленки образуются бактерии, которые колонизируют растения, например Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens и родственные псевдомонад, которые являются распространенными для растений ассоциированными бактериями, обнаруживаемые на листьях, корнях, и в почве, и большинство их природных изолятов образуют биопленки. Несколько азотфиксирующих симбионтов бобовых культур, таких как Rhizobium leguminosarum и Sinorhizobium meliloti образуют биопленки на корнях бобовых культур и других инертных поверхностях.

Доля белков в биопленке может составлять до 60%, липидов до 40% и нуклеиновых кислот до 20%. Порядка 80-90% объёма биоплёнок занимает вода, поэтому все её составляющие находятся в гидротированном состоянии. Матрикс биоплёнки разделён каналами, наполненными водой, а также имеет полости. Через каналы транспортируются питательные вещества и проходят конвективные потоки кислорода от внешних к внутренним частям биоплёнки, одновременно с этим выводятся метаболиты бактериальных клеток.

Формирование, рост, миграция планктонных форм клеток для колонизации в биопленках регулируются на уровне популяции посредством механизмов межклеточной коммуникации. «Quorum sensing» (QS) - это процесс коллективной координации экспрессии генов в популяции бактерий, опосредующий специфическое поведение клеток. Механизм работы QS основан на сложной иерархической регуляции целевых локусов генома бактериальной клетки. При этом регуляция осуществляется на разных уровнях воздействия: транскрипционном, трансляционном, посттрансляционном. На конкретный клеточный сигнал клетки в популяции отвечают специфическим ответом. На сегодняшний день установлено, что клеточно-клеточные взаимосвязи влияют на внутрипопуляционную дифференцировку клеток, на экспрессию генов вирулентности, регулируют ростовые процессы, характер и направление подвижности (таксис), а также бактериальный апоптоз и токсинообразование. Работу QS можно сравнить с гормональной регуляцией функциональной активности различных органов и тканей в многоклеточном организме. Грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы используют различные сигнальные системы и разные химические передатчики сигналов

5. Геохимическая деятельность микроорганизмов.

Содержание.

1. Типы питания микроорганизмов - автотрофия и гетеротрофия, фототрофия и хемотрофия, литотрофия и органотрофия

2. Миксотрофия

3. Ко-метаболизм и соокисление

4. Современные представления о роли микроорганизмов в образовании и разрушении глинистых (почвообразующих, вторичных) минералов

5. Роль микроорганизмов в образовании и деградации гумусовых веществ, основные группы организмов, механизмы процессов

6. Понятие о «затравочном» эффекте

7. «Вторая (подземная) биосфера» принципы ее функционирования

8. Микробное фракционирование стабильных изотопов в природе

9. Основные методы изучения геохимической деятельности микроорганизмов

10. Современные биогеотехнологии с использованием микроорганизмов

1. Типы питания микроорганизмов - автотрофия и гетеротрофия, фототрофия и хемотрофия, литотрофия и органотрофия.

МО делятся на группы в зависимости от признака, по которому производится классификация:

По источнику углерода:

• автотрофы – углекислый газ;

• гетеротрофы – органические вещества.

По используемому источнику энергии:

• фототрофы – энергия солнечного света;

• хемотрофы – энергия окислительно-восстановительных реакций.

По типу соединения, служащего донором электронов:

• органотрофы – органические вещества;

• литотрофы – неорганические вещества.

Если кратко, то вот (более подробно см дальше):

Автотрофы способны усваивать его из углекислого газа. Синтез белков, жиров и углеводов происходит на основе неорганических элементов. К этой группе, в частности, относятся многие почвенные микробы и цианобактерии. Автотрофы – это первичные производители органики, и они являются начальным звеном многих цепочек питания. Гетеротрофы получают углерод из готовых органических соединений. Среди них выделяют паразитов (паратрофов) и сапрофитов (сапротрофов). Паразиты питаются органическими веществами, произведенными другими живыми существами. Сапрофиты – это микробы гниения, разлагающие мертвую органику. Большая их часть относится к почвенным бактериям, гриба.

Фототрофы

К этой группе относятся бактерии, использующие для синтеза органики энергию света, которая преобразуется с помощью фотосинтетических пигментов. Такими пигментами могут быть:

• хлорофилл;

• бактериохлорофилл.

+еще бесхлорофильный фотосинзей у галофильных архей. У них бактериородопсин, и все чутка проще устроено..

Если хлорофилл, то фотосинтез происходит с выделением кислорода. Такой процесс называется оксигенным или кислородным фотосинтезом. Он наблюдается у цианобактерий (Cyanobacteria) и водорослей. (+ растения, конечно)

Во втором случае используется пигмент, относящийся к хлорофиллам, но реагирующий на свет с другой длиной волны, который не могут поглощать ни растения, ни водоросли, ни цианобактерии. При этом выделение кислорода не происходит (аноксигенный или бескислородный фотосинтез). Примером могут служить пурпурные (Purple bacteria), зеленые (Chlorobiaceae) и гелиобактерии (Heliobacteriaceae).

Хемотрофы

Это наиболее многочисленная группа бактерий, к которой кроме других относится большинство почвенных и болезнетворных микробов. Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии (+ тионовые «тоже с S, но подругому» и водородные).

Суть процесса состоит в поэтапном окислении органических или неорганических веществ, сопровождающемся выделением энергии. Химические реакции могут быть двух видов: аэробными, с обязательным присутствием кислорода или анаэробными, то есть бескислородными. Процессы первого типа принято называть дыханием, а второго – брожением.

Аэробные (водородные, нитрифицирующие, тионовые и др.) усваивают СО2 так же, как при фотосинтезе; анаэробные восстанавливают соединения серы и СО2. Х.б. имеют важное значение для с. х-ва: нитрифицирующие почвенные бактерии образуют нитраты из аммония , серные бактерии участвуют в образовании в почве доступных для растений сульфатов, метанобразующие бактерии используются для получения биогаза из органических отходов; играют важную роль в биогеохимических циклах в биосфере.

Органотрофы и литотрофы

Питание позволяет бактерии восполнить запас электронов, необходимых ей для многих клеточных процессов. При всем многообразии веществ, которые могут быть донорами электронов, микробы делятся на две группы:

• органотрофы;

• литотрофы.

Органотрофы окисляют органику. Донорами выступают молекулы аминокислот, жиров, сахаров (чаще всего – глюкозы). После окисления молекулы могут распадаться, образуя более простые устойчивые соединения. К органотрофам, в частности, относятся бактерии гниения.

Донорами электронов для литотрофов выступают неорганические соединения. Так в процессе питания литотрофы могут повышать валентность металлов, окислять аммиак до нитритов или азота, нитриты – до нитратов, сульфид – до серы, серу – до сульфата, фосфит – до фосфата, угарный газ – до углекислого и т.д.

Сочетание признаков рассмотренных выше классификаций описывает все возможные типы питания:

Хемоорганоавтотрофы. Окисляют трудноусваиваемые вещества. Например, некоторые представители аминобактерий (Aminobacter), метилобактерий (Methylobacterium), флавобактерий (Flavobacterium), псевдомонад (Pseudomonas).

Хемоорганогетеротрофы. Большинство видов бактерий.

Хемолитоавтотрофы. Водородные, нитрифицирующие, серо-, железобактерии.

Хемолитогетеротрофы. Некоторые водородные бактерии.

Фотоорганоавтотрофы. Довольно редкий механизм питания, при котором окисляются неусваиваемые вещества. Встречается у некоторых пурпурных бактерий.

Фотоорганогетеротрофы. Часть пурпурных и цианобактерий.

Фотолитоавтотрофы. Некоторые зеленые, пурпурные и цианобактерии.

Фотолитогетеротрофы. Гелиобактерии, часть пурпурных, зеленых и цианобактерий.

Про что-то более подробно:

Автотро́фы— организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических в результате фотосинтеза (фототрофные) и хемосинтеза (хемотрофные). Именно они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Иногда резкой границы между автотрофами и гетеротрофами провести не удаётся. Например, одноклеточная водоросль эвглена зелёная на свету является автотрофом, а в темноте — гетеротрофом (см. ниже: миксотрофы)

Гетеротрофы - организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Потребители органического вещества по типу питания делятся на организмы с абсорбционным (осмотрофным или еще по другому голофитных) типом питания (редуценты-разлагатели) и голозойным (переваривание тв. частиц) типом питания (консументы- потребители). К организмам с осмотрофным типом питания –бактерии, грибы – основные рпазлагатели органического вещества. К организмам с голозоидным типом питания относятся животные – консументы – многоклеточные с тканевым типом строения и одноклеточные простейщие.