TAXONOMIE MIKROORGANISMŮ

Transkript

1 TAXONOMIE MIKROORGANISMŮ M. Sedlářová (Katedra botaniky PřF UP v Olomouci) 2010 VÝVOJ ŽIVOTA 4,5 miliardy let vznik Země 4 miliardy let náznaky života, samoreplikující se RNA 3,9 miliardy let primitivní buňky 3 miliardy let oxygenní fotosyntéza 2,1 miliardy let eukaryotická buňka 1 miliardy let mnohobuněčné organismy

2 STUDIUM EVOLUCE Tradičně morfologické znaky, u mikroorganismů problém (mnoho druhů, málo znaků) Srovnávání sekvencí NK Rychlé dělení mikroorganismů evoluční procesy v baňce PŘÍBUZNOST MIKROORGANISMŮ Srovnání velkých sérií znaků (50-500) kvantitativní (velikost) kvalitativní (přítomnost znaku, typ znaku) Vyhodnocení podobností

3 SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ Mikroorganismus 1 přítomnost znaku ANO NE 2 ANO a b NE c d

4 SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ Koeficient prosté shody (Simple Matching coefficient) a + d S = SM a + b + c + d Jaccardův koeficient (nezahrnuje znaky, které nemá ani jeden organismus) a S = J a + b + c

5 SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ Na základě koeficientů je možné vytvářet: umělé skupiny organismů (fenony) zahrnující všechny mikroorganismy, které jsou si podobné z více než X% stromy podobnosti vzdálenost větví vyjadřuje míru příbuznosti

6 SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ Mutace změny v sekvenci DNA se odráží ve změnách vlastností Selekce eliminace nebo fixace nových znaků Podobnější sekvence = příbuznější mikroorganismy Geny -evoluce ve skupině MO - konzervativní geny (např. cytoskeletální proteiny) Nekódující sekvence DNA (introny) -mutace jsou neutrální Ribozomální RNA -všechny organismy -obvykle nekódující sekvence mutace jsou neutrální

7 STROM ŽIVOTA - rrna Ribozómy u všech organismů Sekvence rrna umožnily zkonstruovat univerzální strom života zahrnující všechny organismy nová doména Archea potvrzení endosymbiotické hypotézy? Bacteria Archea Rostliny Houby Živočichové Eukarya Společný předek

8

9 TAXONY U bakterií bývá obtížné vymezit rod a druh, používání vyšších taxonů problematické Česky Latinsky Anglicky doména regio domain říše regnum kingdom kmen phyllum phylum oddělení division division třída classis class řád ordo order čeleď familia family rod genus genus druh species species

10 FYLOGENEZE A SYSTÉM BAKTERIÍ A ARCHAEBAKTERIÍ Fylogenetický strom podle Rosypala (2003)

11 -odlišnosti od bakterií i eukaryot Archaea -speciální strukturní, chemické a metabolické adaptace, umožňující růst na extrémních stanovištích Buněčná stěna muramová kyselina Membránové lipidy MK s rovným řetězcem éterová vazba (ne esterová!) trna thymin ano Ribozóm 70S (citlivost k chloramfenikolu a kanamycinu, ne k anizomycinu)

12 Archaea Velká variabilita G+, G- Membrány řada glycerolipidů, mono a dvojvrstvy C20 dietery, C40 tetraetery (stabilnější), Thermobolus, Sulfobolus Organotrofní, autotrofní Metabolismus cukrů nebyl nalezen enzym 6-fosfofruktokinasa halofilní a termofilní katabolizují glukózu bez fosforylace metanogenní nemetabolizují glukózu Respirace chybí pyruvát dehydrogenasa, přítomna pyruvát oxidoreduktasa halofilní a termofilní funkční dýchací řetězec metanogenní b. nebyl nalezen kompletní cyklus trikarboxylových kyselin

13 TAXONOMIE ARCHAEA Podle 1. vydání Bergeyova manuálu Metanogenní archebakterie Archebakterie redukující síru Extrémně halofilní archebakterie Archea bez buněčné stěny Extrémně termofilní archea metabolizující síru

14 Metanogenní archebakterie -Striktně anaerobní -Metan = hlavní koncový produkt metabolismu -Síra může být redukována na H 2 S bez výnosu energie -Koenzym M, faktory 420,430, metanopterin Methanobacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanosarcina Archebakterie redukující síru -Striktně anaerobní -Kulovité bakterie -H 2 S tvorba ze sulfátu a thiosulfátů -Autotrofní -Mohou růst heterotroficky -Tvorba metanu -faktor 420, metanopterin ANO x koenzym M, faktor 430 NE Archaeoglobus

15 Extrémně halofilní archebakterie -Primárně aerobní chemoorganotrofní -Kulovité b. nebo nepravidelné tyčky -c NaCl > 1,5M -Neutro nebo alkalifilní -Mezo nebo lehce termofilní -Bakteriorhodopsin - světlo Halobacterium, Halococcus, Natronobacterium Archea bez buněčné stěny -Fakultativně anaerobní -Pleomorfní b. bez b.s. -Termofilní acidofilní -Chemoorganotrofní -Plazmatická membrána glykoproteiny a lipoglykan s manozou Thermoplasma

16 Extrémně termofilní archea metabolizující síru -Fakultativně anaerobní, ale i aerobní -G- tyčky, koky nebo vláknité -Termofilní ( C) -Acidofilní n. neutrofilní -Autotrofní n. heterotrofní -většinou metabolizují S : H 2 S x H 2 SO 4 Desulfurococcus, Pyrodictium, Pyrococcus, Sulfolobus, Thermococcus, Thermoproteus

17 TAXONOMIE ARCHAEA Podle 2. vydání Bergeyova manuálu -Na základě studia rrna Crenarchaeota -Termofilní -Původní skupina Euryarchaeota -Osidlují řadu ekologických nik - Řada metabolických drah

18 Kmen Crenarchaeota 1 třída Thermoprotei 1. Řád: Thermoproteales G- anaerobní, hypertermofilní tyčky Chemolitoautotrofní, H 2 S 2. Řád: Sulfolobales Kokální thermoacidofilní 3. Řád: Desulfurococcales G- anaerobní, hypertermofilní koky n. diskovité b. Chemolitotrofní (oxidace H) Organotrofní (fermentace n. respirace S receptorem e-) Kmen Euryarchaeota 1. Třída Methanobacteria 2. Třída Methanococci 3. Třída Halobacteria 4. Třída Thermoplasmata 5. Třída Thermococci 6. Třída Archaeglobi red. S 7. Třída Methanopyri 9 řádů 16 čeledí

19

20 Taxonomie založena na sekvenci 16S rrna, neustálý vývoj poznání Kmen Aquificae Kmen Thermotogae Kmen Thermodesulfobacteria Kmen Deinococcus-Thermus Kmen Chrysiogenetes Kmen Chloroflexi Kmen Chlorobi Kmen Cyanobacteria Kmen Proteobacteria Kmen Firmicutes (G + bakterie s nízkým poměrem C+G) Kmen Aktinomycetes (G + bakterie s vysokým poměrem C+G) Kmen Planktomycetes Kmen Planctomycetes Kmen Chlamydiae Kmen Spirochaetes Kmen Bacterioidetes TAXONOMIE BACTERIA Zjednodušený systém založený na morfologii viz Rosypal - Nový přehled biologie

21 Kmen Spirochaetes -ohebné buňky šroubovitého tvaru, délka až 500 μm, axiální vlákno Ř. Spirochaetales Č. Spirochaetaceae patogeni Borrelia Leptospira Treponema nepatogeni Spirochaeta, Cristispira Borrelia burgdorferi Leptospira interrogans

22 Č. Spirillaceae Spirillum Campylobacter -průjmy člověka přenos zvířata Rody neurčitého zařazení Bdellovibrio B. bacteriovorus patogen bakterií Microcyclus Pelosigma Brachyarcu

23 Kmen Firmicutes (G + bakterie s nízkým poměrem C+G bází) Tř. Clostridia Tř. Mollicutes (mykoplazmata) Tř. Bacilli Ř. Lactobacillales Ř. Bacillales

24 Ř. Lactobacillales Rody: Streptococcus, Enterococus, Lactococcus, Lactobacillus, Leuconostoc Nesporulující, nepohyblivé Fosforylace na úrovni substrátu, fermentace cukrů větš. k. mléčná Vyžadují komplexní média Fakultativně anaerobní n. aerotolerantní anaerobové Rod: Streptococcus G + C v DNA % Sférické nebo oválné b., v párech nebo řetízcích, nepohyblivé, nesporulující fakultativně anaerobní, metabolismus fermentativní katalázanegativní při kultivacikomplexní média, hemolýza na krevním agaru Komenzálové n. parazité zvířat

25 Čel. Lactobacillaceae Rod: Lactobacillus L. acidophilus, L. amylophilus, L. amylovorus, L. brevis, L. buchneri, L. casei, L. coryniformis, L. crispatus G + C v DNA % => není homogenním rodem chemoorganotrofní, fakultativně nebo obligátně anaerobní, metabolismus fermentativní (i za aerobních podmínek), biochemicky velmi aktivní, cukry zkvašují homo- nebo heterofermentativně, netvoří indol ani sirovodík, katalázanegativní nepohyblivé tyčky (1-6 μm), dlouhé řetízky nebo vláknité formy velmi náročné na kultivaci, rostou při 5-53 C s optimem při C, drobné kolonie s pigmentem žluté až červené barvy většina saprofytů (voda, půda, na ovoci a zelenině), u teplokrevných zvířat včetně člověka v ústní dutině, ve střevech, močových cestách a pohlavních orgánech, čisté kultury v průmyslu (hl. potravinářství mléčné výrobky hl. sýry)

26 B. anthracis Ř. Bacillales spory Rod: Bacillus Vegetativní buňky rodu Bacillus jsou aerobní, peritrichální tyčky, rovné s oblým nebo hranatým zakončením a poměrně velkých rozměrů: (0,5 x 1,2µm) až (2,5 x 10µm). Je to rod grampozitivní, přestože příležitostně vykazuje rekci gramnegativní nebo proměnlivou. Buňky se mohou vyskytovat samostatně nebo tvoří řetízky o počtu jednotek až stovek. Délka je závislá jak na podmínkách prostředí tak na jednotlivém kmenu. Globule rezervního metabolitu, kyseliny poly-β-hydroxymáselné, jsou zřetelné v cytoplazmě, zvláště obarvíme-li lipidy Súdánovou černí B Druhy r. Bacillus mají v celku bohaté enzymové vybavení, takže mohou rozkládat nejrůznější organické sloučeniny. Většina druhů má velmi aktivní amylolytické enzymy, které štěpí škrob, řada druhů má pektolytické enzymy, které štěpí rostlinné pektiny, a většina druhů má velmi aktivní proteolytické enzymy, takže se uplatňuje při aerobním a anaerobním rozkladu bílkovin. Řada druhů produkuje antibiotika polypeptidové povahy, z nichž některá se pomocí těchto bakterií vyrábějí průmyslově (např. bacitracin). Uvedená antibiotika se tvoří ve stadiu sporulace a v přírodě zřejmě přispěla k velkému rozšíření svých producentů. Některé druhy tvoří současně několik polypeptidových antibiotik. Jiné druhy tvoří slizovitá pouzdra polysacharidové povahy (levany a dextrany), které způsobují nežádoucí nitkovitost pečiva a pšeničného chlebu. Určité druhy slouží pro průmyslovou přípravu enzymů. Bakteriální amylasy získané z Bacillus subtilis se uplatňují v pivovarství a v textilním průmyslu, proteasy se používají především do pracích prostředků. B. cereus