Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak-Mirońska

Ilustracja na okładce Adobe Stock/fotoliaxrender

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redaktor merytoryczny Krystyna Kruczyńska

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN Katarzyna Rek / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2018

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2018 r., (wyd. I)

Warszawa 2018

ISBN 978-83-01-20331-3

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Przedmowa

Podręcznik ten został napisany przez zespół pracowników Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego z myślą o studentach, którzy po raz pierwszy stykają się z mikrobiologią. Nie ma dla nich na rynku wydawniczym pozycji w języku polskim, z której mogliby czerpać aktualną wiedzę na temat drobnoustrojów prokariotycznych, czyli bakterii i archeonów. Istnieje wprawdzie Biologia molekularna bakterii, napisana również przez pracowników naszego Wydziału, ale, jak wskazuje tytuł, przedstawia ona zagadnienia dotyczące jedynie bakterii i tylko w ujęciu molekularnym. Jest zatem podręcznikiem przeznaczonym dla czytelników, którzy specjalizują się w mikrobiologii.

Przez wiele lat jedną z podstawowych lektur studentów biologii był podręcznik Życie bakterii autorstwa Profesora Władysława J.H. Kunickiego-Goldfingera. Dzieło to doczekało się kilku wznowień, a w 2001 roku, 6 lat po śmierci Profesora, Jego uczniowie i wieloletni współpracownicy przygotowali ostatnie wydanie tej książki, uzupełnione i rozwinięte o nowe wątki tematyczne.

Od tego czasu w mikrobiologii wydarzyło się bardzo wiele. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych metod i aparatury niedostępnych w przeszłości ta dziedzina nauki rozwija się niezwykle dynamicznie. Tylko w ciągu ostatnich pięciu lat opisano ponad 3000 nowych gatunków bakterii i archeonów. Co więcej, wciąż powstają nowe czasopisma naukowe poświęcone tym drobnoustrojom. Oblicze mikrobiologii zmieniają w szczególności nowoczesne techniki molekularne, w tym te o wymiarze „omicznym”, których zastosowanie w badaniach przynosi wiele informacji na temat struktury i funkcji materiału genetycznego prokariotów, a także przebiegu różnych procesów metabolicznych i fizjologicznych – zarówno na poziomie pojedynczej komórki, jak i całych zespołów mikroorganizmów bytujących w środowisku naturalnym. Chociaż zgromadzono już dość obszerną wiedzę na temat prokariotów, wciąż jednak zaskakują nas coraz to nowe odkrycia, odsłaniające ich nowe właściwości i potencjał biotechnologiczny.

W naszej książce przedstawiliśmy – mamy nadzieję, że w przystępnej formie – różne aspekty mikrobiologii. Jej pierwszy rozdział zawiera rys historyczny (uzupełniony w Addendum 1) oraz przedstawia podział świata żywego na trzy domeny – Archaea, Bacteria i Eukarya – zaproponowany przez Carla Woesego. Omówiono w nim też systematykę bakterii i archeonów oraz zasady ich nazewnictwa. W rozdziałach 2 i 3 opisano budowę, fizjologię i metabolizm obu grup prokariotów, kładąc szczególny nacisk na ich cechy unikatowe, w rozdziale 4 zaś – wzrost bakterii i ich cykle życiowe. Rozdział 5 obejmuje zagadnienia związane z funkcjonowaniem prokariotów w różnych środowiskach, ich rolą w biosferze oraz wpływem na nieożywione elementy ekosystemów.

W rozdziałach 6 i 7 scharakteryzowano organizację genomów prokariotycznych, replikację wchodzących w ich skład replikonów, procesy transkrypcji i translacji oraz ich regulację na różnych poziomach. Duży nacisk położono na procesy i zjawiska wpływające na zmienność prokariotów i przyspieszające tempo ich ewolucji (mutacje, rekombinacje i horyzontalny transfer genów), podkreślając jednocześnie znaczenie i rolę ruchomych elementów genetycznych.

Cały rozdział 8 poświęcono najliczniejszym jednostkom biologicznym naszej planety, czyli wirusom oraz innym niekomórkowym czynnikom infekcyjnym – wiroidom, prionom i satelitom. Opisano budowę wirionów i genomów wirusowych, mechanizmy ich rozprzestrzeniania, przebieg cykli infekcyjnych oraz ich znaczenie biologiczne. Najwięcej uwagi poświęcono bakteriofagom. W podręczniku opisano również praktyczne zastosowania wirusów, a także bakterii i archeonów – odpowiednio w rozdziałach 8 i 9. W tym ostatnim przedstawiono sposoby wykorzystania drobnoustrojów prokariotycznych w wybranych gałęziach przemysłu i w ochronie środowiska. Omówiono technologie: bioremediacji gruntów i wód zanieczyszczonych metalami ciężkimi oraz związkami organicznymi, oczyszczania ścieków metodami biologicznymi oraz zagospodarowania odpadów (np. produkcja biogazu i bioetanolu, mikrobiologiczne ogniwa paliwowe).

Podręcznik kończy przegląd metod stosowanych w mikrobiologii (rozdział 10). Są to zarówno metody hodowlane (podłoża, sterylizacja, techniki posiewu, elementy pracy z bakteriofagami), jak i mikroskopowe – mikroskopia optyczna, w tym mikroskopy fluorescencyjne i konfokalne, oraz elektronowa. Ostatnia część rozdziału 10 zawiera krótką charakterystykę metod molekularnych stosowanych w badaniach genomicznych i metagenomicznych. Dzięki nim poznajemy coraz większą liczbę bakterii i archeonów, których nie potrafimy hodować w laboratorium, a które, jak szacują mikrobiolodzy, przeważają w środowisku.

Mamy nadzieję, że książka ta spotka się w zainteresowaniem studentów i będzie dla nich nie tylko źródłem wiedzy akademickiej oraz punktem wyjścia do dalszego jej zgłębiania, lecz także inspiracją pomocną w dokonywaniu przyszłych wyborów naukowych. Znakomicie ujął to Profesor Kunicki-Goldfinger we wprowadzeniu do pierwszego wydania Życia bakterii, pisząc: „Chciałbym, aby ta książka zamiast stać się podręcznikiem do «uczenia się do egzaminu» była podstawą dla studentów w realizacji celu, dla którego przecież przyszli na uniwersytet, w studiowaniu. W studiowaniu pojmowanym jako zrozumienie istotnych i najważniejszych zjawisk, wykrycie powiązań pomiędzy nimi, dostrzeżenie znaczenia wiedzy dla kształtowania poglądu na świat i na społeczeństwo.”

Chcielibyśmy podziękować wielu osobom za ich wkład włożony w powstanie tego podręcznika. Zawsze mogliśmy liczyć na pomoc ze strony (w kolejności alfabetycznej): Michała Baja, Jakuba Czarneckiego, Nadziei Dreli, Katarzyny Jagusztyn-Krynickiej, Anny Karnkowskiej, Bartosza Kiersztyna, Doroty Korsak, Piotra Kozłowskiego, Renaty Matlakowskiej, Andrzeja Piekarowicza, Adrianny Raczkowskiej, Krzysztofa Skowronka, Danuty Soleckiej, Krzysztofa Spalika, Magdaleny Szuplewskiej, Agnieszki Wyszyńskiej, a także wielu niewymienionych z imienia i nazwiska pracowników Wydziału Biologii UW, którzy służyli nam swoją wiedzą. Dziękujemy także doktorantom Zakładu Genetyki Bakterii Wydziału Biologii – Corze Chmielowskiej, Robertowi Laskowi, Aleksandrze Pawłot i Dorocie Sentkowskiej za wszystkie krytyczne uwagi dotyczące manuskryptu.

Jesteśmy wdzięczni za materiały ilustracyjne podarowane nam przez: Patricka Forterre’a, Tomasza Jagielskiego, Iwonę Jasser, Dietera Jendrosska, Nataliię Khomutovską, Bartosza Kiersztyna, Agnieszkę Kwiatek i Pawła Bącala, Iris Maldener, Renatę Matlakowską, Małgorzatę Sandzewicz, Annę Skorupską, Uwe B. Sleytera, Jerzego Wielbo i Joannę Galus, Luke’a R. Thompsona i Nicki Watson oraz Louie Wurcha i Mirceę Podara, a także za ryciny wykonane przez: Amelię Baj (rozdział 2), Weronikę Bureć-Drewniak (rozdział 9), Przemysława Decewicza (rozdział 6), Mikołaja Dziurzyńskiego (rozdział 8) i Marię Puzynę (rozdział 3).

Mając na uwadze ewentualne następne wydanie tego podręcznika, prosimy Czytelników o nadsyłanie uwag krytycznych na jego temat do redaktora naukowego (bajja@biol.uw.edu.pl).

Warszawa, 15.04.2018

Jadwiga Baj, Dariusz Bartosik,
Łukasz Drewniak, Łukasz Dziewit,
Bohdan Paterczyk, Monika Radlińska

Najważniejsze stosowane skróty

Abi (ang. abortive infection) infekcja abortywna

AOB (ang. ammonia-oxidizing bacteria) bakterie utleniające amoniak

ATP (ang. adenosine triphosphate) adenozynotrifosforan

ATPaza adenozynotrifosfataza

attB (ang. attachment bacteria) attachment bakterii

attC (ang. attachment of cassette) attachment kasety genowej integronu

attI (ang. attachment of integron) attachment integronu

attP (ang. attachment phage) attachment faga

BCl bakteriochlorofil

BCR (ang. biochemical reactor) reaktor biochemiczny

BHR (ang. broad host range) szeroki zakres gospodarzy, np. plazmidu

C1 związki niezawierające wiązań węgiel–węgiel

cAMP (ang. cyclic adenosine monophosphate) cykliczny adenozynomonofosforan

Can. Candidatus

CBB cykl Calvina–Bensona–Basshama

cDNA (ang. complementary DNA) – komplementarny DNA

Chl chlorofil

cyt cytochrom

DAPI ang. 4′,6-diamidino-2-phenylindole

DNA (ang. deoxyribonucleic acid) kwas deoksyrybonukleinowy

DNaza deoksyrybonukleaza

DOM (ang. dissolved organic matter) rozpuszczona materia organiczna

DR (ang. direct repeats) proste powtórzenia sekwencji

ds (ang. double stranded) dwuniciowy

dsRNA (ang. double stranded RNA) dwuniciowy RNA

DTR (ang. DNA transfer) inicjacja transferu DNA

ED szlak Entnera–Doudoroffa

EMP szlak Embdena–Meyerhofa–Parnasa

EPS (ang. exopolysaccharide) polisacharyd zewnątrzkomórkowy

ETC (ang. electron transfer chain) łańcuch transportu elektronów

FAD (ang. flavin adenine dinucleotide) dinukleotyd flawinoadeninowy, forma utleniona

FADH₂ dinukleotyd flawinoadeninowy, forma zredukowana

Fd ferredoksyna

FISH (ang. fluorescent in situ hybridization) hybrydyzacja fluorescencyjna in situ

FMN (ang. flavin mononucleotide) mononukleotyd flawinowy, forma utleniona

GTA ang. gene transfer agent

GTP (ang. guanosine triphosphate) guanozynotrifosforan

GTPaza guanozynotrifosfataza

GV (ang. gas vesicle) pęcherzyk gazowy

HGT (ang. horizontal gene transfer) horyzontalny transfer genów

HMP (ang. hexose monophosphate pathway) szlak heksozomonofosforanowy

ICE (ang. integrative and conjugative element) koniugacyjny element integrujący z DNA

ICM (ang. intracytoplasmic membrane) błona wewnątrzcytoplazmatyczna

Ig immunoglobulina

IL interleukina

IME (ang. integrative mobilizable element) mobilizowalny element integrujący z DNA

Inc (ang. incompatibility) niezgodność, np. plazmidów

IR (ang. inverted repeats) odwrócone powtórzenia sekwencji

IS (ang. insertion sequence) sekwencja insercyjna

knt kilonukleotydy

kpz kilopary zasad

LOS lipooligosacharyd

LPS lipopolisacharyd

LTA (ang. lipoteichoic acid) kwas lipotejchojowy

MFC (ang. microbial fuel cell) mikrobiologiczne ogniwo paliwowe

MGE (ang. mobile genetic element) ruchomy element genetyczny

MITE (ang. miniature inverted-repeat transposable element) miniaturowy nieautonomiczny element transpozycyjny

MNA (ang. monitored natural attenuation) naturalna atenuacja monitorowana

MPF (ang. mating pair formation) tworzenie par komórek koniugujących

Mpz megapary zasad

MRI (ang. multiresistant integron) integron wielooporności

MRS (ang. multimer resolution system) system rozdziału form oligomerycznych plazmidów

MTaza (ang. methyltransferase) metylotransferaza

MV (ang. membrane vesicle) pęcherzyk błonowy

NAD⁺ (ang. nicotinamide-adenine dinucleotide) dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, forma utleniona

NADH dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, forma zredukowana

NADP⁺ (ang. nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate) fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, forma utleniona

NADPH fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, forma zredukowana

NCLDV (ang. nucleocytoplasmic large DNA viruses) wirusy nukleocytoplazmatyczne

ncRNA (ang. non-coding RNA) niekodujący RNA

NHR (ang. narrow host range) wąski zakres gospodarzy, np. plazmidu

NOB (ang. nitrite-oxidizing bacteria) bakterie utleniające azotyny

nt nukleotydy

O-IMV ang. outer-inner membrane vesicle

OM (ang. outer membrane) błona zewnętrzna

OMP (ang. outer membrane protein) białko błony zewnętrznej

OMV (ang. outer membrane vesicle) pęcherzyk błonowy

oriT (ang. origin of transfer) origin transferu koniugacyjnego

oriV (ang. origin of vegetative replication) origin wegetatywnej replikacji

PAR (ang. partitioning system) system aktywnego rozdziału plazmidów

PBP (ang. penicillin-binding protein) białko wiążące penicylinę

PG peptydoglikan

PHA (ang. poly-β-hydroxyalcanoate) poli-β-hydroksyalkanian

PHB (ang. poly-β-hydroxybutyrate) poli-β-hydroksymaślan

Pi nieorganiczny ortofosforan

PMF (ang. protonmotive force) siła protonomotoryczna

POM (ang. particulate organic matter) upostaciowana materia organiczna

PPi nieorganiczny pirofosforan

PQ (ang. plastoquinone) plastochinon

PQH₂ (ang. plastoquinol) plastochinol

PS I (ang. photosystem I) fotosystem I

PS II (ang. photosystem II) fotosystem II

PTS (ang. phosphotransferase system) system fosfotransferazy

pz pary zasad

Q (ang. quinone) chinon

QH₂ (ang. quinol) chinol

QS (ang. quorum sensing) wyczuwanie liczebności

rbs (ang. ribosome binding site) miejsce wiązania rybosomów (sekwencja Shine–Dalgarno)

RCR (ang. rolling circle replication) replikacja według modelu toczącego się koła

RdRp (ang. RNA-dependent ribonucleic acid polymerase) polimeraza RNA zależna od RNA

REaza (ang. restriction endonuclease) endonukleaza restrykcyjna

RF (ang. replication form) forma replikacyjna

RNA (ang. ribonucleic acid) kwas rybonukleinowy

RNaza rybonukleaza

ROS (ang. reactive oxygen species) reaktywne formy tlenu

rRNA rybosomowy RNA

rTCA (ang. reductive tricarboxylic acid cycle) redukcyjny cykl kwasów trikarboksylowych

SEM (ang. scanning electron microscope) skaningowy mikroskop elektronowy

SI (ang. superintegron) superintegron

sp. (łac. species) nieokreślony gatunek danego rodzaju

spp. różne (lub wszystkie) gatunki danego rodzaju

SRB (ang. sulfate reducing bacteria) bakterie redukujące siarczany

sRNA (ang. small RNA) mały RNA

ss (ang. single stranded) jednoniciowy

SSMP (ang. self-splicing molecular parasites) samowycinające się pasożyty molekularne

ssRNA (ang. single stranded RNA) jednoniciowy RNA

sv. (ang. serovar) serowar, serotyp, odmiana serologiczna

T4SS (ang. type 4 secretion system) system sekrecji typu 4

TA (ang. teichoic acids) kwasy tejchojowe

T-A (ang. toxin-antitoxin) system toksyna–antytoksyna

TCA (ang. tricarboxylic acid cycle) cykl kwasów trikarboksylowych

TE (ang. transposable element) element transpozycyjny

TEM (ang. transmission electron microscope) transmisyjny mikroskop elektronowy

TFP (ang. type four pili) pilusy typu IV

tmRNA ang. transfer/messenger RNA

Tn transpozon

tRNA (ang. transfer ribonucleic acid) transportujący RNA

TUA (ang. teichuronic acid) kwas tejchuronowy

WTA (ang. wall teichoic acid) kwas tejchojowy

1 Wprowadzenie

Jadwiga Baj

W rozdziale opisano krótko historię mikrobiologii, poczynając od wieku XVII, a kończąc na latach 40. XX wieku. Przedstawiono ewolucję pojęć „prokariotyczny” i „eukariotyczny”, a także podział świata żywego na trzy domeny – Archaea, Bacteria i Eukarya – zaproponowany przez Carla Woesego. Omówiono też systematykę bakterii i archeonów oraz zasady ich nazewnictwa. Scharakteryzowano krótko obie domeny prokariotyczne – Bacteria i Archaea.

1.1. Krótki zarys historii mikrobiologii

1.1.1. Początki

Już w XVII wieku różni uczeni, w tym Marcello Malpighi (1628–1694), Nehemiah Grew (1628–1711) i Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723; ryc. 1.1) oglądali mikroorganizmy przez prymitywne mikroskopy. Leeuwenhoek opisał je po raz pierwszy w 1676 r. w angielskim czasopiśmie naukowym Philosophical Transactions of the Royal Society of London (najstarszym, bo stworzonym w 1665 r., i istniejącym do dziś). W 1683 r. nie tylko opisał kolejne mikroorganizmy (np. występujące na powierzchni zębów), ale także je narysował. Na ilustracjach wyraźnie widać bakterie o charakterystycznych kształtach m.in. laseczek, paciorkowców, a także takie pierwotniaki, jak Vorticella, Volvox i Euglena. Leeuwenhoek sam konstruował swoje jednosoczewkowe mikroskopy, osiągając 300-krotne powiększenie. Kilkadziesiąt lat później (1772 i 1786) Otto Frederik Müller opublikował następne opisy bakterii. Mimo tych odkryć aż do drugiej połowy XIX wieku uczeni nie łączyli pewnych procesów zachodzących w przyrodzie, w tym chorób, z tymi mikroskopijnymi organizmami.

Ryc. 1.1. Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723)

Zwolennicy pokutującej od czasów Arystotelesa teorii samorództwa uważali, że żywe organizmy mogą powstawać z materii nieorganicznej (abiogeneza) lub organicznej, pochodzącej z innych organizmów (heterogeneza). Do podważenia słuszności tej teorii przyczyniło się wielu uczonych, ale obalił ją ostatecznie dopiero w 1861 r. Ludwik Pasteur (1822–1895; ryc. 1.2) – francuski chemik i znakomity mikrobiolog. W roku 1857 zaczął on badać naturę fermentacji, najpierw poprzez analizę procesu kwaśnienia mleka, a potem procesów, w których wyniku powstawało wino, piwo oraz kwas octowy. Stwierdził, że proces ten wywołują żywe „fermenty”. Zaproponował ogrzewanie wina i piwa w określonej temperaturze, aby zapobiegać ich „chorobom”. Ten proces częściowej sterylizacji nazywamy dziś pasteryzacją. Odkrycia, których dokonał Pasteur, badając fermentację, przygotowały go do obalenia teorii samorództwa. Dzięki przeprowadzonym eksperymentom udowodnił, że właściwie wyjałowione substancje organiczne nie ulegają gniciu ani fermentacji, jeśli nie mają kontaktu z powietrzem. Jednak to Ferdinand J. Cohn (1828–1898, ryc. 1.3) jedenaście lat później wykazał przyczynę wcześniejszych niejednoznacznych wyników eksperymentów nad samorództwem. Była nią obecność lub brak ciepłoopornych endospor w materiale wykorzystywanym do badań przez różnych uczonych.

Ryc. 1.2. Ludwik Pasteur (1822–1895)

Teorię o roli zarazków w powstawaniu chorób przedstawił już w 1840 r. Friedrich G. J. Henle, jeden z nauczycieli Roberta Kocha. Stwierdził on, że czynnik zakażający jest żywą jednostką, która sama się odtwarza i prawdopodobnie może też żyć poza organizmem gospodarza. Do podobnego wniosku doszedł Pasteur, badając w latach 1865–1870 chorobę jedwabników, która doprowadziła francuski przemysł jedwabniczy na skraj bankructwa. Wykazał, że owady cierpią w rzeczywistości na dwie choroby, w tym jedną wywoływaną przez pierwotniaka (Nosema bombycis). Sądził, że druga jest pochodzenia pokarmowego, jednak dziś wiemy, że wywołuje ją wirus, a w wyniku infekcji dochodzi do wtórnego zakażenia przewodu pokarmowego bakteriami. Pasteur zaproponował skuteczną profilaktykę, polegającą na selekcji niezainfekowanych jaj dzięki badaniom mikroskopowym. Efektem tych badań było powstanie teorii zarazków wywołujących choroby.

Ryc. 1.3. Ferdinand J. Cohn (1828–1898)

1.1.2. Rozwój mikrobiologii medycznej

W roku 1876 niemiecki wiejski lekarz Robert Koch (1843–1910, ryc. 1.4) udowodnił, że przyczyną wąglika, groźnej choroby bydła, jest bakteria Bacillus anthracis (badana także przez Aloysa Pollendera i Casimira J. Davaine’a). Jako pierwszy wykazał, że za konkretną chorobę zakaźną zwierząt odpowiada swoisty mikroorganizm, co potwierdziło teorię zarazków.

Ryc. 1.4. Robert Koch (1843–1910)

W roku 1878 Pasteur badał przyczyny cholery drobiu, która dziesiątkowała stada kur. Wyizolował z odchodów tych ptaków Pasteurella multocida i wykazał, że jest ona czynnikiem wywołującym tę chorobę. Przez przypadek zaobserwował, że „stare” hodowle tej bakterii charakteryzowały się mniejszą wirulencją i zakażone nimi zwierzęta przeżyły. Co więcej, stały się odporne na ponowne zakażenie szczepem wirulentnym. Patogeny uległy atenuacji, czyli utraciły zdolność do wywoływania choroby, ale nadal były zdolne do wywołania odporności. W 1880 r. Pasteur przedstawił wyniki swoich badań Francuskiej Akademii Nauk i zaproponował, by zjawisko to nazwać vaccination (łac. vacca – krowa) na cześć angielskiego lekarza Edwarda Jennera (1749–1823), który jako pierwszy, w 1796 r., wprowadził szczepienia zapobiegające ospie prawdziwej, stosując zarazek wywołujący krowiankę.

Pasteur z sukcesem przeprowadził badania nad atenuacją B. anthracis w celu stworzenia skutecznej szczepionki. Do roku 1894 zaszczepiono 3,4 mln sztuk bydła, co znacząco zmniejszyło śmiertelność z powodu wąglika. W późniejszych latach Pasteur opracował też szczepionkę przeciw róży świń (czynnik etiologiczny – Erysipelas rhusiopatiae) i przeciw wściekliźnie (czynnik etiologiczny – wirus wścieklizny).

Gdy stało się jasne, że to mikroorganizmy wywołują choroby zakaźne, uczeni starali się je izolować i wykazywać ich rolę w patogenezie. Jeszcze w czasie XIX wieku poznano wiele patogennych bakterii. Koch był odkrywcą nie tylko laseczki wąglika, ale także prątka gruźlicy (chorobę tę badali wcześniej np. Jean Antoine Villemin i Julius Friedrich Cohnheim). W roku 1882 w pracy Etiologia gruźlicy ogłosił swoje słynne postulaty, zwane później postulatami Kocha. Wskazywały one, jakie kroki należy podjąć, aby można było uznać dany mikroorganizm za przyczynę choroby. Trzeba zatem:

wykazać obecność drobnoustroju w organizmie objętym chorobą,

wyhodować wyizolowany mikroorganizm i uzyskać jego czystą kulturę,

wywołać taką samą chorobę przez zakażenie zwierzęcia doświadczalnego czystą kulturą.

Dziś wiemy, że z różnych powodów nie jest to zawsze takie proste, np. niektórzy ludzie po infekcji patogenem nie chorują, lecz stają się jego nosicielami, dla innych zaś, z obniżoną odpornością, patogenem może stać się bakteria, która nie wywołuje objawów chorobotwórczych u ludzi ze sprawnie działającym układem odpornościowym (patogen oportunistyczny). Poza tym nie dla każdej choroby opracowano odpowiedni model zwierzęcy. Za badania i odkrycia dotyczące gruźlicy Koch dostał w 1905 r. Nagrodę Nobla.

Prawdziwym pionierem antyseptyki był węgierskim lekarz Ignaz Semmelweiss (1818–1865). Pracując od 1844 r. w wiedeńskim szpitalu, stwierdził, że najwięcej kobiet umierało na gorączkę połogową w klinice, w której prowadzone były zajęcia dydaktyczne, a lekarze i studenci szli do pacjentek prosto z prosektorium. Wywnioskował, że zakażenie jest przekazywane przez uczących lekarzy i ich studentów i zasugerował, aby przed badaniem pacjenta każda osoba myła ręce w chlorowanej wodzie. Dzięki tej prostej metodzie śmiertelność w ciągu roku zmalała z 11% do 3%. Semmelweiss opublikował swoje spostrzeżenia w 1861 r. w książce na temat gorączki połogowej, która niestety nie spotkała się z wielkim zainteresowaniem.

Odkrycie L. Pasteura, że choroby zakaźne mogą być przenoszone przez powietrze, spowodowało, że angielski chirurg Joseph Lister (1827–1912, ryc. 1.5) zaczął okrywać rany opatrunkami nasączonymi kwasem karbolowym, mającym na celu zabicie tych zarazków pochodzących z powietrza. W wyniku tego śmiertelność na oddziale chirurgicznym w Glasgow Royal Infirmary spadła z 45% do 15%. Wyniki swoich badań opublikował w 1867 r. w czasopiśmie Lancet, a jego publikacja spotkała się z dużym zainteresowaniem. W chirurgii zaczęto stosować antyseptykę.

Nazwiska i osiągnięcia mikrobiologów, którzy przyczynili się do zapobiegania chorobom zakaźnym (szczepienia), znajdują się w podrozdziale 5.7.8, tych zaś, którzy znaleźli sposoby ich zwalczania – w podrozdziale 5.7.9.

Ryc. 1.5. Joseph Lister (1827–1912)

1.1.3. Udoskonalanie mikrobiologicznych metod badawczych

Mikrobiologia do rozwoju potrzebowała odpowiednich narzędzi badawczych. Dostarczyli je m.in. tacy znakomici uczeni, jak wspominany już Ferdinand Cohn, który badał rośliny, grzyby i mikroorganizmy. Jako pierwszy wybarwił on w 1849 r. komórki w preparatach histologicznych, stosując barwniki roślinne (karmin i hematoksylinę). Dwadzieścia lat później Herman Hoffman wybarwił karminem komórki bakteryjne, a w 1876 r. Carl Weigert zastosował do tego celu błękit metylenowy. W roku 1877 R. Koch opracował metodę przygotowywania suchych preparatów mikroskopowych bakterii. Używał on szkiełek nakrywkowych do przygotowywania preparatów trwałych. Jako pierwszy uwidocznił rzęski bakterii, używając ekstraktu z drzewa kampeszowego i opublikował fotomikrografie bakterii. W roku 1882 udało mu się wybarwić prątka gruźlicy, stosując błękit metylenowy na gorąco. Dwa lata później duński lekarz Hans Christian Gram (1853–1938) wprowadził barwienie złożone (zwane dziś barwieniem Grama), dzięki któremu można było później podzielić wszystkie bakterie na dwie grupy – gramdodatnie (barwiące się na fioletowo) i gramujemne (barwiące się na różowo). W roku 1882 Paul Ehrlich ulepszył metodę barwienia prątków wprowadzoną przez Kocha i wykazał, że bakterie te nie ulegają odbarwieniu pod wpływem kwaśnego alkoholu. Rok później Franz Ziehl i Friedrich Neelsen zmodyfikowali procedurę barwienia, która stosowana jest do dziś.

Dzięki badaniom różnych uczonych ulepszana była mikroskopia. Pod koniec XIX wieku Ernest Abbe skorygował główne niedoskonałości soczewek, zwane aberracjami, a Robert B. Tolles stworzył obiektyw imersyjny do mikroskopu złożonego. Dalsze informacje na temat mikroskopii zawarte są w podrozdziale 10.2.

Podłożami, których zwykle używano do hodowania mikroorganizmów, były na początku buliony mięsne. Pierwsze podłoże, które można by nazwać półsyntetycznym, wprowadził w 1860 r. L. Pasteur. Zawierało ono sole amonowe, sproszkowane drożdże i cukier. W roku 1872 F. Cohn wprowadził podobne podłoże, ale bez cukru, które nazwał podłożem podstawowym. Można było dodawać do niego różne składniki (np. cukry) w zależności od potrzeb doświadczenia.

Pierwsze pożywki były wyłącznie płynne. Czyste kultury jako pierwszy uzyskał wspomniany już Joseph Lister, stosując seryjne rozcieńczenia bakterii mlekowej Lactococcus lactis w podłożu płynnym, którym było mleko. Mikrobiolodzy zdawali sobie sprawę, że do pewnych celów lepsze byłyby pożywki stałe i na początku używali do tego celu pasty skrobiowej, plasterków aseptycznie pociętego ziemniaka, chleba czy też mięsa. W laboratorium R. Kocha udoskonalono nie tylko metody mikroskopowe badania bakterii, ale także hodowlane, np. podłoża zaczęto zestalać żelatyną. Pożywki wlewano do specjalnych płytek i po skrzepnięciu robiono posiewy. Dzięki metodzie płytkowej, którą Koch opisał w roku 1881, można było:

łatwiej rozdzielać pojedyncze komórki bakterii, z których powstawały kolonie, będące czystymi kulturami,

określić liczbę bakterii występujących w wodzie, glebie, powietrzu itd.

Żelatyna miała liczne wady, zatem w roku 1882, dzięki sugestii Angeliny Fannie Hesse, żony Waltera Hessego, jednego z pracowników Kocha, została zastąpiona przez agar, wielocukier izolowany z krasnorostów, który jest stosowany do dziś. Ponadto, jeden z asystentów Kocha, Julius Petri, zaproponował w 1887 r. prowadzenie hodowli w szklanych, płaskich naczyniach składających się z mniejszego denka i nieco większego wieczka, nazwanych od jego nazwiska płytkami (szalkami) Petriego, gdyż znacznie ułatwiło to badania. Wcześniej używano nieporęcznych wieczek o kształcie dzwonu.

Trzeba tu wspomnieć jeszcze o rozwoju metod sterylizacji, bez których prowadzenie badań hodowlanych byłoby niemożliwe. To angielski matematyk i fizyk, John Tyndall (1820–1893), jeden z uczonych popierających Pasteura w jego walce z teorią samorództwa, stwierdził, iż bakterie mogą występować w dwóch formach: wrażliwej na ogrzewanie w 100°C przez 5 min i opornej na taką temperaturę. W tym samym roku wspomniany już wielokrotnie F. Cohn wykazał, że laseczka sienna Bacillus subtilis wytwarza ciepłooporne endospory i na podstawie obserwacji mikroskopowych opisał cały cykl życiowy tej bakterii, łącznie z wytwarzaniem endospor i ich kiełkowaniem. Obaj uczeni dostarczyli ostatecznych argumentów pozwalających na obalenie teorii samorództwa. Biorąc pod uwagę wyniki badań Cohna, Tyndall opracował w 1877 r. metodę frakcjonowanej sterylizacji, która od jego nazwiska zwana jest tyndalizacją.

Z kolei francuski fizyk Charles Chamberland (1851–1908), współpracownik Pasteura, udoskonalił autoklaw (1879), którego prototyp, opracowany przez Denisa Papina już w 1679 r., służył wcześniej do procesowania żywności. W laboratoriach Pasteura sterylizowano podłoża w temperaturze 115–120°C. Chamberland wprowadził też w 1884 r. inną metodę jałowienia, z wykorzystaniem filtrów porcelanowych. Jego filtry były stosowane nie tylko w laboratoriach, ale także w gospodarstwach domowych, co znacząco poprawiło jakość sanitarną wody pitnej. Metoda sterylizacji przez filtrację opisana jest na. Wcześniej (1871) Edwin Klebs stosował filtry z niewypalanej gliny do oddzielania bakterii od płynu.

1.1.4. Poznawanie różnorodności bakterii

Należy jeszcze wspomnieć o zasługach tych mikrobiologów, którzy badali bakteryjny metabolizm i zachowania mikroorganizmów w środowisku. Jednym z nich był Rosjanin Siergiej Nikołajewicz Winogradski (1856–1953, ryc. 1.6), który w 1887 r. wykazał, że Beggiatoa, bakteria gromadząca siarkę pierwiastkową, wiąże CO₂ i utlenia H₂S, co stanowi jej źródło energii. W latach 1890–1896 Winogradski zajmował się wyizolowanymi z gleby bakteriami nitryfikacyjnymi. Wykazał, że wiążą dwutlenek węgla i czerpią energię z utleniania amoniaku do azotynów bądź azotynów do azotanów. Ten znakomity uczony wprowadził koncepcję chemolitotrofii i wskazał na udział mikroorganizmów autotroficznych w obiegu pierwiastków.

Ryc. 1.6. Siergiej Nikołajewicz Winogradski (1856–1953)

W roku 1888 Hermann Hellriegel (1831–1895) i Hermann Wilfarth (1853–1904) odkryli zjawisko wiązania azotu cząsteczkowego przez brodawki korzeniowe roślin bobowatych. Badał je również znakomity holenderski mikrobiolog Martinus Beijerinck (1851–1931, ryc. 1.7), pionier badań środowiskowych. Wprowadził on metodę hodowli wzbogacającej (ang. enrichment culture), co umożliwiało izolowanie bakterii stanowiących mniejszość w danym środowisku. Otrzymał pierwszą czystą kulturę bakterii brodawkowej wiążącej azot cząsteczkowy, którą nazwał Bacillus radicicola (obecnie rodzaj Rhizobium).

Ryc. 1.7. Martinus Beijerinck (1851–1931)

W 1895 r. S. Winogradski odkrył pierwszą swobodnie żyjącą bakterię wiążącą N₂ – beztlenowca Clostridium pasteurianum, Beijerinck zaś w późniejszym okresie wyizolował tlenowca Azotobacter, prowadząc badania z udziałem van Deldena. Beijerinck miał liczne inne osiągnięcia w mikrobiologii środowiskowej, w tym:

opisał pierwszą bakterię redukującą siarczany, którą nazwał Spirillum desulfuricans (Desulfovibrio desulfuricans),

otrzymał czystą kulturę bakterii utleniającej siarkę – Thiobacillus denitrificans, która w warunkach beztlenowych wiązała dwutlenek węgla,

badał proces denitryfikacji i luminescencji,

zajmował się fermentacją mlekową i wprowadził nazwy rodzajowe Lactobacillus i Acetobacter.

Prowadził też badania mikroorganizmów eukariotycznych – grzybów, glonów i porostów.

1.1.5. Odkrycie wirusów

Beijerinck miał też zasługi na polu wirusologii. W 1899 r. wykazał, że pozbawione bakterii filtraty pochodzące z soku wyciśniętego z chorych liści tytoniu wywołują chorobę zwaną mozaiką tytoniu. Stwierdził zatem, że istnieją przechodzące przez filtry mikroorganizmy, które mogą wywołać choroby roślin. Nazwał je contagium vivum fluidum, sądząc, że mają charakter płynny.

Trzeba tu wspomnieć, że wcześniej badania tego typu prowadził też Adolf Meyer (1882) i Dmitri Iwanowski (1892), który uważał jednak, że czynnikiem chorobotwórczym jest bakteria (contagium vivum fixum). W roku 1911 Francis Peyton Rous odkrył czynnik infekcyjny (wirusa), który mógł wywoływać raka u kur, za co – dopiero w 1966 r. – dostał Nagrodę Nobla. Frederick Twort (1915) i Félix d’Hérelle (1917) niezależnie od siebie odkryli wirusy bakteryjne, które d’Hérelle nazwał bakteriofagami. W roku 1926 Thomas Rivers rozróżnił w swojej publikacji wirusy i bakterie i zaproponował, by wirusologia stała się oddzielną dyscypliną badań. Więcej informacji na temat wirusów i innych niekomórkowych czynników infekcyjnych znajduje się w rozdziale 8.

1.1.6. Próby klasyfikacji bakterii

W roku 1866 niemiecki zoolog i ewolucjonista Ernst Heinrich Haeckel (1834–1919) podzielił wszystkie organizmy na trzy królestwa: Plantae, Animalia i nowe królestwo Protista, obejmujące organizmy jednokomórkowe, w tym bakterie.

Ferdinand J. Cohn opublikował w 1872 r. książkę Badania nad bakteriami, w której stwierdził, że bakteriologia jest oddzielną dyscypliną nauki. Zdefiniował bakterie jako organizmy w większości pozbawione barwników, o charakterystycznym kształcie, występujące w postaci pojedynczych komórek, łańcuchów komórek lub agregatów i rozmnażające się w wyniku podziału poprzecznego. Zaklasyfikował je do królestwa roślin z powodu ich podobieństwa do Oscillarias, które kiedyś były zaliczane do glonów, a dziś wiemy, że są grupą bakterii zwanych sinicami. Jego klasyfikacja bakterii, głównie na podstawie cech morfologicznych, dzieliła te mikroorganizmy na: (a) Sphaerobacteria (o kształcie kulistym) z rodzajem Micrococcus, (b) Microbacteria (o kształcie pałeczki) z rodzajem Bacterium, (c) Desmobacteria (nitkowate) z rodzajami Bacillus i Vibrio oraz (d) Spirobacteria (o kształcie śruby) z rodzajami Spirillum i Spirochaeta. Ważnym osiągnięciem Cohna było sformułowanie koncepcji gatunku, który miał się składać ze specyficznych populacji bakterii, mających wspólne, dziedziczne cechy charakterystyczne. W swoim dziele Cohn omawiał także rolę mikroorganizmów w obiegu pierwiastków w przyrodzie.

W roku 1909 Sigurd Orla-Jensen zaproponował, by w klasyfikacji najważniejszym kryterium były cechy fizjologiczne bakterii. W roku 1920 komitet Towarzystwa Amerykańskich Bakteriologów (Society of American Bacteriologists), które powstało w 1899 r. (a w 1960 r. przekształciło się w Amerykańskie Towarzystwo Mikrobiologii – American Society for Microbiology), opublikowało raport „Charakterystyka i klasyfikacja typów bakterii”. Stał się on podstawą do napisania klasycznego już dziś dzieła pod redakcją Davida H. Bergeya, które zostało opublikowane w 1923 r. i było zatytułowane Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. Wydanie z roku 1984 pojawiło się pod zmienioną nazwą Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. W latach 2001–2012 opublikowano ostatnie papierowe, sześciotomowe wydanie tego dzieła. Następne, zatytułowane Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria, jest dostępne od 2015 online. Tylko w ten sposób można szybko aktualizować wiedzę o prokariotach, co rok bowiem poznajemy ponad 600 ich nowych gatunków.

Trzeba tu jeszcze wspomnieć o ważnym artykule Alberta J. Kluyvera, zatytułowanym Jedność i różnorodność metabolizmu mikroorganizmów, który został opublikowany w 1924 r. Kluyver wskazał w nim, że u różnych mikroorganizmów zachodzą te same procesy metaboliczne, do których zaliczył utlenianie, fermentację i biosyntezę. Podkreślił też, że życie na Ziemi bez mikroorganizmów nie byłoby możliwe. Dwa lata później Kluyver i Hendrick J.L. Donker w publikacji Jedność w biochemii zaproponowali dla wszystkich organizmów – zarówno tlenowych, jak i beztlenowych – uniwersalny model procesów metabolicznych bazujący na transferze atomów wodoru.

Tabela 1.1. Główne grupy mikroorganizmów

Grupa mikroorganizmów

Typ budowy komórki

Domena taksonomiczna

Archeony

prokariotyczny

Archaea

Bakterie

prokariotyczny

Bacteria

Pierwotniaki, jednokomórkowe glony, jednokomórkowe grzyby

eukariotyczny

Eukarya

Tabela 1.2. Ogólna charakterystyka domen Bacteria, Archaea i Eukarya

Cechy organizmów¹

Bacteria

Archaea

Eukarya

Cechy strukturalne

Budowa prokariotyczna

tak

tak

nie

Obecność peptydoglikanu w ścianie

tak

nie

nie

Charakterystyka lipidów błonowych²

glicerol w konfiguracji S, wiązania estrowe, kwasy tłuszczowe

glicerol w konfiguracji R, wiązania eterowe, prenole

glicerol w konfiguracji S, wiązania estrowe, kwasy tłuszczowe

Typ rybosomów

70S

70S

80S

Wrażliwość rybosomów na toksynę błoniczą

nie

tak

tak

Wrażliwość na chloramfenikol, streptomycynę, kanamycynę

tak

nie

nie

Pęcherzyki gazowe

tak

tak

nie

Cechy genomu

Chromosom w formie cząsteczki kolistej

tak

tak

nie

Plazmidy

tak

tak

rzadko

Obecność białek histonowych

nie

tak

tak

Operony

tak

tak

nie

Budowa promotora

sekwencje –10 i –30

sekwencja TATA

sekwencja TATA

Introny w większości genów

nie

nie

tak

Obecność CRISPR-Cas

tak

tak

nie

Inicjacyjny tRNA

formylometionina

metionina

metionina

Polimeraza RNA

jedna

kilka

trzy

Wymagane czynniki transkrypcyjne

nie

tak

tak

Obecność kapu i ogona poli-A w mRNA

nie

nie

tak

Cechy metaboliczne i fizjologiczne

Chemolitoautotrofia

tak

tak

nie

Oddychanie beztlenowe

tak

tak

nie

Wiązanie N₂

tak

tak

nie

Fotosynteza oksygenna

tak

nie

tak

Fotosynteza anoksygenna

tak

nie

nie

Metabolizm energetyczny związany z rodopsynami

tak

tak

nie

Metanotrofia

tak

tak

nie

Metanogeneza

nie

tak

nie

Zdolność do wzrostu w temperaturze powyżej 95°C

nie

tak

nie

¹ niektóre z wymienionych cech występują tylko w pewnych grupach organizmów z danej domeny

² niektóre bakterie i eukarioty mają pewne lipidy z wiązaniami eterowymi

1.2. Ogólna charakterystyka mikroorganizmów

Mikrobiologia jest działem biologii zajmującym się badaniem mikroorganizmów (zwanych też drobnoustrojami), ich wzajemnych oddziaływań, a także ich oddziaływań na inne organizmy oraz na środowisko. Mikroorganizmy występują w postaci pojedynczych komórek lub skupisk komórek, zwykle niewidocznych bez użycia mikroskopu. Do ich badania stosuje się metody i techniki, które zostały opisane w rozdziale 10. Występują one we wszystkich środowiskach na Ziemi, wytyczając granice biosfery, i mają duży wpływ zarówno na ich żywe, jak i nieożywione elementy. Do mikroorganizmów zaliczamy (tab. 1.1): bakterie, archeony, pierwotniaki, jednokomórkowe grzyby i jednokomórkowe glony. W podręcznikach mikrobiologii znajdują się zwykle rozdziały poświęcone wirusom, które nie są organizmami, nie mają bowiem metabolizmu, ale są istotami żywymi, gdyż podlegają ewolucji. Będzie o nich mowa w rozdziale 8.

Drobnoustroje są niezwykle zróżnicowane pod względem taksonomicznym, a ich komórki cechuje także ogromne zróżnicowanie strukturalne. Grzyby, glony i pierwotniaki mają budowę eukariotyczną i należą do domeny Eukarya, bakterie i archeony zaś, będące prokariotami, są zaliczane do dwóch odrębnych domen, odpowiednio Bacteria i Archaea (tab. 1.2). Domeny są najwyższymi rangami taksonomicznymi, zaproponowanymi przez Carla Woesego.

Pojęcia „prokariotyczny” i „eukariotyczny” wprowadził w 1937 r. oceanograf i protozoolog francuski Edouard Chatton, pierwsze – do opisu komórek bakteryjnych (nie zdawano sobie wówczas sprawy z istnienia archeonów), drugie zaś – do opisu pozostałych komórek. Przedrostek pro- oznacza po grecku za, zamiast, przed, eu- zaś – dobrze, prawdziwie, natomiast karyon to jądro. A więc organizmy prokariotyczne nie mają prawdziwego jądra, w które natomiast są wyposażone komórki eukariotyczne. Terminy te nie uległy wówczas upowszechnieniu i dopiero w roku 1962 Roger Stanier i Cornelis B. van Niel wrócili do nich w publikacji The concept of a bacterium (Pojęcie bakterii). Trzeba wspomnieć, że proponował je również w 1957 r. E.C. Dougherty, nie powołując się na Chattona jako ich twórcę. Stanier i van Niel pisali, że podstawowe cechy wyróżniające komórki prokariotyczne to:

brak błon oddzielających od cytoplazmy (a) materiał jądrowy oraz (b) aparat fotosyntetyczny i aparat oddechowy,

podział poprzeczny komórki, a nie w wyniku mitozy,

obecność w ścianie komórkowej swoistego mukopeptydu, będącego elementem wzmacniającym ścianę,

unikatowa budowa rzęsek.

Komórki eukariotyczne charakteryzują się znacznie bardziej złożoną budową. Nie tylko ich materiał genetyczny występuje w jądrze, ale również mają one różnego rodzaju struktury błonowe, takie jak retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, lizosomy, a także organelle, takie jak mitochondria oraz chloroplasty (jeśli są roślinami). Terminy „prokariotyczny” i „eukariotyczny” zostały powszechnie zaakceptowane przez społeczność naukową. Od chwili ich wprowadzenia przez Chattona dotyczyły budowy komórki i nie miały znaczenia taksonomicznego.

Wspomniano już, że pierwsze uniwersalne drzewo życia przedstawił w 1866 r. Ernest Haeckel. W grupie organizmów jednokomórkowych, nazwanych przez niego Protista, umieścił on bakterie. W roku 1932 Herbert F. Copeland zaproponował, by bakterie wraz z glonami niebieskozielonymi, jak wówczas nazywano sinice (dziś zaliczanymi do bakterii), wydzielić w osobne królestwo Monera. Robert H. Whittaker wyodrębnił grzyby z królestwa roślin i przedstawił w 1969 r. system klasyfikacji złożony z pięciu królestw: Plantae, Animalia, Fungi (grzyby), Protista (pierwotniaki i glony) i Monera (bakterie).

W roku 1974, w ósmym wydaniu wspomnianego już dzieła Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, zmieniono nazwę królestwa Monera na Prokaryotae, tym samym nadając temu terminowi znaczenie taksonomiczne. Już kilka lat później Carl Woese udowodnił, że wśród organizmów prokariotycznych można wyodrębnić dwie linie filogenetyczne, organizmy eukariotyczne zaś stanowią trzecią. Takson Prokaryota stracił zatem rację bytu. Słowu temu przywrócono poprzednie znaczenie, a więc znów służy do opisu typu budowy komórki. Należy je zatem pisać małą literą, drukiem prostym i zgodnie z polską ortografią (prokariota).

1.3. Carl Woese i trzy domeny świata żywego

W latach 70. ubiegłego wieku wybitny amerykański naukowiec Carl Woese (1928–2012, ryc. 1.8) rozpoczął poszukiwania markerów molekularnych, odzwierciedlających pokrewieństwo między organizmami, a zatem przydatnych w badaniach filogenetycznych wszystkich organizmów. Badał między innymi przydatność rybosomowego RNA (rRNA). Wszystkie organizmy mają w swoich komórkach rybosomy, zatem i rRNA, który we wszystkich komórkach pełni tę samą funkcję. Woese badał sekwencje nukleotydowe rRNA małych podjednostek rybosomów – u prokariotów 16S rRNA, a u eukariotów 18S rRNA [nazywanych wspólnie SSU rRNA (ang. small subunit)]. Okazało się, że jego wybór był niezwykle trafny. SSU rRNA są doskonałym narzędziem do badania powiązań filogenetycznych między różnymi organizmami, co zostało omówione na. Ku zaskoczeniu Woesego i jego współpracowników zróżnicowanie sekwencji SSU rRNA było wśród badanych mikroorganizmów prokariotycznych znacznie większe niż u eukariotów. Okazało się, że prokarioty nie są grupą monofiletyczną, lecz stanowią dwie odrębne linie ewolucyjne. W roku 1977 Woese wraz z Georgem Foksem opublikowali wyniki swoich badań, w których wykazali, że istnieją trzy główne linie filogenetyczne organizmów żywych, a nie dwie, jak dotychczas uważano. Dwie z tych linii, które nazwali wówczas Eubacteria i Archaebacteria, złożone są wyłącznie z mikroorganizmów o budowie prokariotycznej (bakterie i archebakterie), trzecia zaś – dla której zaproponowano wówczas nazwę Urkaryota – obejmuje organizmy eukariotyczne.

W roku 1990 po przebadaniu znacznie większej liczby sekwencji SSU rRNA Woese wraz ze swoimi współpracownikami przedstawił uniwersalne drzewo filogenetyczne organizmów żyjących, na którym wszystkie żyjące organizmy zostały przydzielone do jednej z trzech najwyższych rang taksonomicznych, nazwanych wówczas przez niego domenami (ang. domain), odzwierciedlających trzy linie filogenetyczne wywodzące się od wspólnego przodka. Domeny zmieniły nazwy na:

Archaea (nazwa utraciła człon -bacteria, bo należące do niej mikroorganizmy nie są bakteriami i są bliżej spokrewnione z eukariotami),

Bacteria (nazwa utraciła przedrostek Eu-, co po grecku oznacza prawdziwy, bo należące do niej mikroorganizmy są jedynymi bakteriami wśród prokariotów),

Eukarya obejmująca wszystkie organizmy eukariotyczne.

Ryc. 1.8. Carl Woese (1928–2012)

Obecnie badania pokrewieństwa z zastosowaniem SSU rRNA są znacznie łatwiejsze z technicznego punktu widzenia, bada się bowiem rDNA, czyli geny kodujące rRNA, a ponadto metody sekwencjonowania zostały znacznie usprawnione.

Na rycinie 1.9 przedstawiono schematycznie uniwersalne drzewo filogenetyczne świata żywego opracowane na podstawie analizy porównawczej wybranych sekwencji nukleotydowych genów SSU rRNA. Korzeń tego drzewa stanowi punkt w skali czasu, gdy wszystkie formy życia na Ziemi miały wspólnego uniwersalnego przodka określanego akronimem LUCA (ang. last universal common ancestor). Jak widać, najpierw pojawiły się dwa odgałęzienia – jedno, z którego powstały bakterie, i drugie, które dało początek archeonom i eukariotom. Pochodzenie eukariotów jest jedną z ważniejszych nierozwiązanych dotychczas zagadek biologii. Niektórzy uczeni uważają, że powstały one w wyniku połączenia się dużej komórki archeona z małą komórką bakteryjną (z klasy Alphaproteobacteria), która z czasem z endosymbionta przekształciła się w mitochondrium. Trwa gorąca dyskusja nad różnymi scenariuszami ewolucyjnymi, które ulegają pewnym zmianom w miarę postępu badań. Z kolei zdolność do fotosyntezy pojawiła się u eukariotów w wyniku endosymbiozy sinicy, która stała się plastydem, z heterotroficznym wspólnym przodkiem Archaeplastida – eukariotycznej supergrupy obejmującej glaukofity, krasnorosty, zielenice i rośliny lądowe.

Przedstawione na drzewie domeny Bacteria, Archaea i Eukarya stanowią trzy główne linie ewolucyjne organizmów, które obecnie istnieją na Ziemi. Na rycinie 1.9 zostali uwzględnieni tylko niektórzy przedstawiciele każdej z trzech domen. Wyniki badań metagenomicznych wskazują, że typów taksonomicznych archeonów i bakterii jest znacznie więcej. Podział domen prokariotycznych na typy i nadtypy taksonomiczne cały czas ewoluuje, toteż pewne elementy drzewa przedstawionego na rycinie 1.9 mogą w krótkim czasie stać się nieaktualne.

1.4. Systematyka prokariotów

Systematyka jest nauką o klasyfikacji organizmów, tzn. grupowaniu ich zgodnie z ich naturalnym pokrewieństwem. Obejmuje ona charakterystykę wszystkich organizmów i ich nazewnictwo, a także wprowadza ich hierarchiczny podział.

Ryc. 1.9. Uproszczone uniwersalne drzewo filogenetyczne świata żywego opracowane na podstawie sekwencji nukleotydowej genów SSU rRNA. Owalami zaznaczono spokrewnione taksony mogące być zaliczone do wyższej rangi; jedną linią przerywaną, zaznaczoną FME, pokazano powstanie eukariotów z mitochondriami, drugą zaś eukariotów z plastydami. CPR – ang. candidate phyla radiation (s. 13); DPANN – ang. Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanohaloarchaeota, Nanoarchaeota; FME – ang. first mitochondriate eukaryote; LACA – ang. last archaeal common ancestor; LARCA – ang. last arkarya common ancestor (P. Forterre zaproponował stworzenie taksonu Arkarya obejmującego Archaea i Eukarya); LBCA – ang. last bacterial common ancestor; LECA – ang. last eukaryotic common ancestor; LUCA – ang. last universal common ancestor. Inne objaśnienia w Addendum 2, s. 349) (dzięki uprzejmości: Patrick Forterre, na podstawie Frontiers Microbiol. 2015, 6: article 717, ryc. zmodyf. przez autora)

1.4.1. Nazewnictwo prokariotów

Nazewnictwo bakterii i archeonów, podobnie jak organizmów eukariotycznych, jest binominalne (czyli dwuimienne), jak to zaproponował w XVIII wieku wielki szwedzki uczony Karol Linneusz (1707–1778). Pierwszy człon nazwy, pisany wielką literą, oznacza rodzaj taksonomiczny (łac. i ang. genus). Drugi człon, pisany małą literą, jest przydawką i wskazuje określony gatunek (łac. i ang. species) przynależący do tego rodzaju. W druku nazwy te pisze się kursywą. Człowiek znający łacinę i grekę może łatwo rozszyfrować znaczenie nazw wielu bakterii. Na przykład bacillus oznacza po łacinie kijek, laskę, zatem bakteria, która nazywa się Bacillus albo której nazwa rodzajowa zawiera człon bacillus (np. Acidithiobacillus), ma wydłużony kształt. Acidithiobacillus ferrooxidans jest bakterią kwasolubną (łac. acidus – kwaśny), siarkową (gr. theion – siarka) o wydłużonym kształcie (-bacillus), która utlenia (łac. oxygenium – tlen) żelazo (łac. ferrum).

Nazwę rodzajową można skracać, jednak zawsze przy pierwszym pojawieniu się w tekście powinna być podana w pełnym brzmieniu. Zatem po wymienieniu nazwy Escherichia coli możemy dalej pisać o tej bakterii – E. coli. Jeżeli jednak w tekście występuje kilka nazw rozpoczynających się tą samą literą, w celu uniknięcia niejednoznaczności można użyć skrótu złożonego z większej liczby liter, np. Staph. aureus (Staphylococcus aureus) i Str. pyogenes (Streptococcus pyogenes).

Niekiedy przynależność taksonomiczna wyizolowanej bakterii lub archeona zostaje określona tylko na poziomie rodzaju, bez zbadania, do jakiego należy gatunku. Zaznacza się to, pisząc po nazwie rodzajowej skrót sp. (drukiem prostym), pochodzący od słowa łacińskiego species (gatunek). Bacillus sp. oznacza zatem pewien nieokreślony gatunek z rodzaju Bacillus. Natomiast skrót spp. jest niestety niejednoznaczny, Bacillus spp. może bowiem oznaczać (a) kilka gatunków rodzaju Bacillus bądź (b) wszystkie gatunki należące do rodzaju Bacillus.

Niektóre nowo odkryte gatunki mają status kandydacki (ang. status candidatus), nie udało się bowiem spełnić wszystkich wymogów formalnych, aby można było nowemu gatunkowi nadać oficjalną nazwę. Nazwę takiego gatunku pisze się w cudzysłowie w następujący sposób: „Candidatus Methylomirabilis oxyfera” (słowo Candidatus pisane wielką literą i drukiem pochyłym, zaś nazwa rodzajowa i gatunkowa – drukiem prostym). Przy wielokrotnym cytowaniu w tekście można nazwę skracać następująco: „Can. M. oxyfera”.

Tylko niektóre znane od dawna bakterie mają polskie nazwy, np. Mycobacterium tuberculosis – prątek gruźlicy, Staphylococcus aureus – gronkowiec złocisty, Escherichia coli – pałeczka okrężnicy itd.

1.4.2. System klasyfikacji prokariotów

Organizmy są klasyfikowane i grupowane zgodnie z ich naturalnym pokrewieństwem, co umożliwia nadawanie im poprawnych i logicznych nazw i może być użyteczne w identyfikacji nowo wyizolowanych gatunków. Podejście filogenetyczne przy klasyfikacji prokariotów stało się możliwe z chwilą wprowadzenia molekularnych metod badania kwasów nukleinowych, w tym genów 16S rRNA.

System klasyfikacji organizmów jest hierarchiczny. Istnieje siedem rang podstawowych (obowiązkowych) w klasyfikacji organizmów. Najniższy rangą jest gatunek (łac. i ang. species). Blisko spokrewnione gatunki grupuje się w rodzaje (łac. i ang. genus). Jeden lub większa liczba spokrewnionych rodzajów tworzy rodzinę (łac. familia), rodziny łączy się w rzędy (łac. ordo), rzędy w klasy (łac. classis), a te zaś w typy (łac. i ang. phylum). Dla biologów zajmujących się organizmami eukariotycznymi najwyższą rangą są królestwa (łac. regnum), natomiast wielu mikrobiologów za najwyższą rangę, zaproponowaną przez Carla Woesego w 1990 roku, uważa domeny, które nie są formalnie uznane. Oprócz rang obowiązkowych istnieją też rangi dodatkowe, np. podrzędy i podgatunki (tab. 1.3).

Rangi takie jak rodzina, podrząd i rząd można łatwo rozpoznać na podstawie charakterystycznych dla nich końcówek: -aceae dla rodziny (np. Enterobacteriaceae to rodzina pałeczek jelitowych), -ineae dla podrzędu (np. Corynebacterineae) i -ales dla rzędu (np. Enterobacteriaceae wchodzą w skład rzędu Enterobacteriales).

Nie ma oficjalnie uznanej klasyfikacji prokariotów, reguły bowiem Międzynarodowego Kodu Nomenklatury Prokariotów (International Code of Nomenclature of Prokaryotes) nie pokrywają rang powyżej klasy, nie ma też dla nich oficjalnie uznanego nazewnictwa. Z tego powodu ich nazwy w bazie http://www.bacterio.net (List of prokaryotic names with standing in nomenclature, LPSN) są pisane drukiem prostym i w cudzysłowie, np. „Proteobacteria”, jako typy proponowane. Trzeba tu dodać, że w publikacjach naukowych i podręcznikach (także w tym) niewiele osób się do tego stosuje i autorzy piszą Proteobacteria.

Baza LPSN została stworzona przez profesora Jeana Euzéby’ego w 1997 r., a po jego przejściu na emeryturę w 2013 r. jest prowadzona i stale aktualizowana przez Aidana C. Parte. Można w niej znaleźć alfabetyczną listę wszystkich nazw taksonomicznych bakterii i archeonów oficjalnie uznanych, tzn. opublikowanych przez International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (wcześniej International Journal of Systematic Bacteriology).

Tabela 1.3. Hierarchia taksonomiczna prokariotów

Nazwa rangi

Przykład 1

Przykład 2

polska

łacińska

(charakterystyczna końcówka)

angielska

Domena

–

domain

Bacteria

Archaea

Typ

phylum

phylum

Firmicutes

Euryarchaeota

Klasa

classis

class

Bacilli

Methanomicrobia

Rząd

ordo

(-ales)

order

Lactobacillales

Methanomicrobiales

Podrząd

subordo

(-ineae)

suborder

–

–

Rodzina

familia

(-aceae)

family

Streptococcaceae

Methanospirillaceae

Rodzaj

genus

genus

Lactococcus

Methanospirillum

Gatunek

species

species

Lactococcus lactis

Methanospirillum hungatei

Podgatunek

subspecies

subspecies

Lactococcus lactis subsp. cremoris

–

Jak wyżej wspomniano, nie ma niestety reguł dotyczących nazewnictwa typów w domenach Bacteria i Archaea. Nazwy niektórych z nich kończą się członem -bacteria, np. Proteobacteria, Actinobacteria, Cyanobacteria, inne -cutes, np. Firmicutes, Tenericutes, ale istnieją też inne końcówki, np. Chlorobi, Planctomycetes, Spirochaetes. Niektóre typy mają nazwy prowizoryczne, np. „Deinococcus-Thermus”. Jeszcze inne określone są symbolami, nie zawierają bowiem żadnego hodowalnego przedstawiciela, np. „Candidatus Methylomirabilis oxyfera” jest zaklasyfikowany do typu o prowizorycznej nazwie NC10 (2018 r.).

Wydawało się, że przynamniej w domenie Archaea człon -archaeota będzie wskazywał na typ taksonomiczny w tej domenie. Tak jest w przypadku większości typów, w tym pięciu najlepiej poznanych – Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota i Thaumarchaeota. Niestety, jeden z typów został nazwany Diapherotrites.

Trzeba tu jeszcze raz podkreślić, że nie istnieje jeszcze oficjalna klasyfikacja wszystkich bakterii i archeonów, ona dopiero powstaje. Tylko część gatunków prokariotów ma zatem dokładnie określoną pozycję taksonomiczną na wszystkich poziomach. O niektórych bakteriach wiemy jedynie, że są tak różne od innych znanych gatunków, że nie można ich przyporządkować do żadnego znanego taksonu i należy stworzyć dla nich oddzielną jednostkę taksonomiczną o prowizorycznej nazwie. Tak jest np. w przypadku wspomnianej wyżej bakterii „Candidatus Methylomirabilis oxyfera”.

1.4.3. Gatunek, podgatunek i odmiana u prokariotów

Nie ma uniwersalnej definicji gatunku dla wszystkich organizmów, organizmy prokariotyczne bowiem nie rozmnażają się płciowo. Gatunek prokariotyczny to zbiór szczepów o wspólnym (monofiletycznym) pochodzeniu:

których całkowity DNA charakteryzuje co najmniej 70% homologia (zbadana metodą bezpośredniej hybrydyzacji DNA:DNA),

których sekwencja genu 16S rRNA jest w około 98,7% identyczna,

które fenotypowo (czyli pod względem właściwości morfologicznych, strukturalnych, metabolicznych i fizjologicznych) odróżniają się od innych szczepów.

Szczepy (ang. strain) wchodzące w skład jednego gatunku bakterii to oddzielne izolaty danego gatunku, zwykle występujące w różnych lokalizacjach geograficznych i różniące się pewnymi cechami. Powinny one pochodzić z czystych kultur.

Wspomniany już Międzynarodowy Kod Nomenklatury Prokariotów zawiera zasady, prawa i zalecenia, które rządzą nadawaniem nazw prokariotom. Nazwa nowo odkrytego gatunku musi więc być zgodna z zaleceniami tego kodu. Odkrywca nowego gatunku prokariota musi ponadto:

opisać go w odpowiednim czasopiśmie naukowym, najlepiej International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (IJSEM),

zdeponować żywą hodowlę tego organizmu w dwóch narodowych kolekcjach szczepów, znajdujących się w różnych krajach (np. American Type Culture Collection – ATCC i Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen – DSMZ).

Zdeponowany szczep staje się szczepem typowym (ang. type strain) nowego gatunku i standardem, z którym będą porównywane inne szczepy, aby ocenić, czy należą do tego właśnie gatunku. Jeżeli nowy gatunek został opisany w innym czasopiśmie naukowym niż IJSEM, to kopia artykułu musi zostać wysłana do IJSEM, gdzie nazwa nowego organizmu zostanie uprawomocniona, zanim zostanie zaakceptowana. IJSEM publikuje listy zaaprobowanych nazw nowych gatunków bakterii i archeonów. Za nadawanie nowych nazw prokariotom odpowiedzialny jest International Committee on Systematics of Prokaryotes.

Niekiedy nie udaje się spełnić wszystkich wymienionych wyżej wymogów, aby można było nowemu gatunkowi nadać oficjalną nazwę, mikroorganizm jest bowiem niehodowalny. Taki mikroorganizm prokariotyczny uzyskuje wówczas status kandydacki.

W niektórych gatunkach wyróżnia się podgatunki (łac. i ang. subspecies; subsp.). Tak jest w przypadku bakterii mlekowej Lactococcus lactis. Mamy na przykład L. lactis subsp. lactis i L. lactis subsp. cremoris. Podgatunki są rangami taksonomicznymi, dlatego są pisane kursywą. Pełną przynależność taksonomiczną tego podgatunku przedstawiono w tabeli 1.3.

Szczepy wchodzące w skład danego gatunku mogą się różnić od siebie określonymi cechami. W obrębie niektórych gatunków – szczególnie tych, które są ważne dla przemysłu lub z punktu widzenia zdrowia – wyróżnia się odmiany (ang. variety; var.), np. serowary (ang. serovars) – różniące się właściwościami antygenowymi), fagowary (ang. phagovars) – wrażliwe na lizę specyficznymi fagami, patowary (ang. pathovars) – wykazujące patogenność wobec określonego gospodarza itd. Odmiany nie mają oficjalnej pozycji w taksonomii, zatem pisze się je drukiem prostym, np. wśród Xanthomonas axonopodis istnieją odmiany, które atakują cytrusy – X. axanopodis pv. citri i takie, które zakażają fasolę – X. axonopodis pv. phaseoli.

1.5. Charakterystyka domen prokariotycznych

W tabeli 1.2 znajduje się krótkie porównanie najważniejszych cech organizmów ze wszystkich trzech domen świata żywego. Do cech wspólnych obu domen prokariotycznych należą: (a) pewne właściwości metaboliczne (np. chemolitoautotrofia, oddychanie beztlenowe, metanotrofia, wiązanie azotu cząsteczkowego), (b) aparaty transportu i (c) ogólna budowa genomu. Z kolei bakterie i eukarioty mają lipidy błonowe o podobnej budowie i tylko wśród nich występują gatunki zdolne do fotosyntezy oksygennej, natomiast u archeonów i eukariotów podobieństwo wykazują takie procesy, jak transkrypcja i translacja. Istnieją też cechy unikatowe dla każdej z domen.

Niżej opisano ogólnie obie domeny prokariotyczne, w Addendum 2 zaś znajduje się charakterystyka wybranych typów taksonomicznych baterii i archeonów, o których jest mowa w następnych częściach tego podręcznika.

1.5.1. Domena Bacteria

Dwie unikatowe cechy bakterii to obecność peptydoglikanu (mureiny) w ścianie komórkowej i zdolność do fotosyntezy anoksygennej. Peptydoglikanu nie mają wyłącznie te bakterie, które są pozbawone ściany komórkowej (typ Tenericutes).

Na stronie internetowej LPSN w domenie Bacteria występuje 29 typów: Acidobacteria, Actinobacteria, Aquificae, Armatimonadetes, Bacteroidetes, Caldiserica, Chlamydiae, Chlorobi, Chloroflexi, Chrysiogenetes, Cyanobacteria, Deferribacteres, „Deinococcus-Thermus”, Dictyoglomi, Elusimicrobia, Fibrobacteres, Firmicutes, Fusobacteria, Gemmatimonadetes, Lentisphaerae, Nitrospirae, Planctomycetes, Proteobacteria, Spirochaetes, Synergistetes, Tenericutes, Thermodesulfobacteria, Thermotogae i Verrucomicrobia. Na podstawie sekwencjonowania rDNA izolowanego z próbek z różnych środowisk wiadomo było w 2018 r., że domena Bacteria obejmuje ponad 100 typów taksonomicznych. Tylko 32 z nich zawierają gatunki, które mikrobiolodzy potrafią hodować, a 90% z tych gatunków jest zaliczana do typów Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria i Bacteroidetes.

Dużą grupę spokrewnionych bakterii, której żaden przedstawiciel nie został jeszcze wyizolowany, lecz poznane zostały pewne sekwencje nukleotydowe ich DNA, nazwano akronimem CRP (ang. candidate phyla radiation, ryc. 1.9). Są to prawdopodobnie symbionty innych mikroorganizmów, charakteryzujące się małymi rozmiarami i wymaganiem czynników wzrostowych.

1.5.2. Domena Archaea

Archeony przypominają bakterie rozmiarami i kształtami komórek, a także ogólnym ich pokrojem oraz pewnymi cechami metabolicznymi. Również ich chromosom, struktura operonów czy plazmidy przypominają bakteryjne, ale niektóre mechanizmy związane z replikacją DNA, jego naprawą, a także transkrypcją i translacją są bardziej podobne do eukariotycznych. Archeony wykazują też cechy unikatowe. Należy do nich budowa lipidów błonowych, składających się z prenoli połączonych wiązaniami eterowymi z glicerolem w konfiguracji R. Ściany komórkowe archeonów mają bardzo zróżnicowaną budowę i nie zawierają peptydoglikanu (mureiny), składnika charakterystycznego dla bakterii. Unikatową cechą metaboliczną beztlenowych archeonów jest zdolność do metanogenezy.

Tylko wśród archeonów można znaleźć gatunki zdolne do wzrostu w temperaturze przekraczającej 95°C. Kiedyś sądzono, że większość archeonów to ekstremofile zamieszkujące środowiska o wysokiej temperaturze, dużym zasoleniu, niskim bądź wysokim pH itp. Okazało się jednak, że te mikroorganizmy występują także w warunkach umiarkowanych i są wszędobylskie. Żyją w glebie, wodach słodkich i słonych (oszacowano, że wody morskie zawierają 1,3 × 10²⁸ komórek archeonów), różnego rodzaju osadach dennych, a także w innych organizmach. Niektóre z nich to jednak rzeczywiście ekstremofilni rekordziści.

Nie znany jest żaden archeon, który byłby zdolny do fotosyntezy ani taki, który byłby patogenem wywołującym określoną chorobę, natomiast niektóre z nich wchodzą w skład mikrobioty zwierząt, w tym człowieka.

Na stronie internetowej LPSN w marcu 2018 r. w domenie Archaea występowało pięć typów: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota i Thaumarchaeota. W Addendum 2 przedstawiono ich krótką charakterystykę. Dzięki badaniom metagenomiczym wciąż odkrywane są nowe archeony, których nie można przyporządkować do żadnego z wymienionych wyżej typów. Proponowane są zatem nowe typy, których liczba szybko rośnie. W latach 2010–2017 w publikacjach naukowych pojawiły się propozycje nazw 11 nowych typów taksonomicznych archeonów (Addendum 2).

2Budowa i funkcjonowanie komórek prokariotycznych

Jadwiga Baj

W rozdziale omówiono wielkość i morfologię komórek prokariotycznych, a także ich budowę wewnętrzną – nukleoid, materiały zapasowe, mikroprzedziały (anamoksosomy, enterosomy, magnetosomy, pęcherzyki gazowe) i struktury leżące na zewnątrz ściany komórkowej – otoczki, warstwę S, pochewki, pilusy, rzęski, archela i inne. Opisano fundamentalne różnice w budowie błony komórkowej przedstawicieli obu domen prokariotycznych. Scharakteryzowano ściany komórkowe bakterii gramujemnych i gramdodatnich oraz osłony archeonów. Opisano także transport związków przez błonę komórkową, sekrecję białek i sposoby poruszania się prokariotów.

2.1. Wielkość i morfologia komórek prokariotycznych oraz tworzone przez nie układy

Mikroorganizmy cechują tak małe rozmiary, że nie są widoczne bez użycia mikroskopu. Wielkość bakterii i archeonów mierzymy w mikrometrach (1 μm = 10–3 mm), wirusów zaś zwykle w nanometrach (1 nm = 10–6 mm). Typowe prokarioty mają około 1 μm średnicy, np. komórki Bacillus megaterium (laseczka olbrzymia) w zależności od szczepu mogą mieć 1,2–1,5 μm średnicy i 2,0–5,5 μm długości, zaś kuliste Streptococcus pneumoniae (dwoinka zapalenia płuc) od 0,5 do 1,25 μm średnicy.

Istnieją jednak bakterie znacznie mniejsze, np. odkryta w 2002 r. oceaniczna bakteria pelagiczna „Candidatus Pelagibacter ubique” liczy 0,12–0,2 μm średnicy i 0,37–0,89 μm długości. Niektórzy badacze zaliczają ją do grupy ultramikrobakterii, czyli bakterii, których komórki mają objętość mniejszą niż 0,1 μm³. Objętość komórek niektórych archeonów, np. „Candidatus Nanoarchaeum equitans” (ryc. 5.18), także nie przekracza 0,1 μm³. Znajdowanych jest coraz więcej prokariotów o niezwykle małych rozmiarach, ale większości z nich uczeni nie potrafią hodować. W roku 2015 w prestiżowym czasopiśmie Science opisano bakterie tak małe, że nie były zatrzymywane przez filtry bakteriologiczne o średnicy porów 0,2 μm, które stosuje się do jałowienia roztworów. Dzięki badaniom metagenomicznym wykazano, że te mikroorganizmy należą do nieznanych dotychczas typów taksonomicznych, a połowa ich genów nie znajduje odpowiedników w bazach danych.

Niektóre bakterie mają znacznie większe rozmiary niż przeciętne prokarioty. Na przykład krętek Spirochaeta plicatilis może osiągać do 250 μm długości, ale średnica jego komórek wynosi 0,75 μm, nie widać ich zatem bez użycia mikroskopu. Znane są również dwie bakterie naprawdę gigantyczne. Jedna z nich to Epulopiscium fishelsoni, żyjąca w jelicie ryby zwanej cyrulikiem, która występuje w Morzu Czerwonym. Niektóre osobniki osiągają wielkość 80 × 600 μm. Kiedy odkryto ten mikroorganizm w 1985 r., sądzono, że jest pierwotniakiem i dopiero w roku 1993 udowodniono, że to bakteria należąca do typu Firmicutes i blisko spokrewniona z beztlenowymi laseczkami. Drugim morskim „olbrzymem” jest odkryta w 1997 r. Thiomargarita namibiensis, której komórki liczą od 100 do 750 μm średnicy, można je zatem zobaczyć bez użycia mikroskopu. Największą znaną bakterią słodkowodną jest Achromatium oxaliferum (15 × 125 μm). Co ciekawe, nie znamy archeonów, których komórki miałyby średnicę większą od kilku μm.

Większość prokariotów ma kształt kuli, walca bądź skręconego walca (ryc. 2.1). Bakterie o kształcie kulistym nazywane są ziarniakami lub kokami (łac. i ang. l.p. coccus, l.m. cocci). Komórki niektórych ziarniaków nie rozdzielają się po podziale i tworzą charakterystyczne układy, np. dwoinki (Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae), łańcuszki (Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus), tetrady (np. Micococcus) i pakiety, złożone z większej niż 4 liczby komórek (np. Sarcina) bądź nieregularne skupiska – grona (np. Staphylococcus) (ryc. 2.1A). Te charakterystyczne układy komórek są wykorzystywane przy identyfikacji bakterii.

Bakterie o kształcie walca w polskiej literaturze fachowej nazywa się pałeczkami lub laseczkami w zależności od rodzaju bakterii (ryc. 2.1B). Dawniej pałeczkami nazywano bakterie gramujemne, nie tworzące endospor, np. bakterie z rodziny Enterobacteriaceae (pałeczki jelitowe, jedną z nich jest Escherichia coli). Nazwę laseczka stosowano dla gramdodatnich bakterii z rodzaju Bacillus i Clostridium, które są zdolne do wytwarzania endospor. W tej książce termin laseczka będzie stosowany dla gramdodatnich bakterii z typu Firmicutes, zdolnych do tworzenia endospor (nie wszystkie bakterie z tego typu wytwarzają te formy przetrwalnikowe), zaś termin pałeczka dla wszystkich innych bakterii o kształcie walca, niezależnie od tego, jak barwią się metodą Grama. Laseczki, podobnie jak ziarniaki, mogą tworzyć po podziale łańcuszki. W literaturze anglojęzycznej nie ma takiego rozróżnienia. Wszystkie bakterie o kształcie walca określa się słowem rod.

Ryc. 2.1. Podstawowe kształty komórek prokariotycznych i tworzone przez nie układy. Narysowane nie w skali

Istnieją prokarioty, których komórki wyglądają jak wygięty lub skręcony śrubowo walec. Bakterie wygięte, ale nieskręcone śrubowo, nazywa się przecinkowcami (np. przecinkowiec cholery – Vibrio cholerae). Komórki skręcone mają śrubowce, które są sztywne (np. Magnetospirillum sp., Proteobacteria) oraz krętki (ryc. 2.1C), które są giętkie i należą do typu Spirochaetes (np. krętek blady – Treponema pallidum, Borrelia burgdorferi).

Istnieją mikroorganizmy prokariotyczne o kształtach bardziej wymyślnych. Na przykład bakterie z rodzaju Stella mają formę gwiazdy (na co wskazuje ich nazwa), a o archeonach z rodzaju Haloarcula mówiło się po ich wykryciu, że są „kwadratowe”, gdyż grubość ich komórek jest bardzo mała (0,25 μm) w stosunku do innych wymiarów (2–4 μm). Jednak znakomita większość archeonów ma kształt kuli, walca bądź skręconego walca i pod mikroskopem trudno odróżnić je od bakterii.

Niektóre bakterie rosną w postaci nitkowatej. Należą do nich np. sinice z rodzaju Oscillatoria (ryc. 2.1D), tworzące nici złożone z wielu komórek (ang. trichome), które są w ściślejszym kontakcie niż np. komórki paciorkowców w łańcuszkach. Promieniowce rosną w postaci rozgałęzionych filamentów, zwanych strzępkami (ang. hyphae), podobnie jak u grzybów (ryc. 2.1D). Ich średnica nie przekracza jednak 1 μm, podczas gdy strzępki grzybów są zwykle szersze (ponad 2–3 μm) i znacznie dłuższe.

Morfologia niektórych bakterii może się zmieniać w zależności od fazy jej cyklu życiowego, np. u Caulobacter spp. występują komórki osiadłe, zawierające cienką łodyżkę (ang. stalk), dzięki której bakterie przyczepiają się do podłoża stałego, i komórki pływające zaopatrzone w rzęskę.

Niektóre bakterie są pleomorficzne, co oznacza, że nie mają jednego, ściśle określonego kształtu. Przykładem są maczugowce (rodzaj Corynebacterium), choć większość ich komórek ma kształt maczugi, na co wskazuje zarówno ich polska, jak i łacińska nazwa. Szczególnie silnym pleomorfizmem charakteryzują się mikoplazmy pozbawione ściany komórkowej.

2.2. Ogólna budowa komórki prokariotycznej

Każda komórka prokariotyczna zawiera otoczoną błoną komórkową cytoplazmę, w której znajduje się nieobłoniony chromosom stanowiący materiał genetyczny i rybosomy (ryc. 2.2). W zależności od badanego prokariota w cytoplazmie mogą też być zawarte:

różnego rodzaju ciała inkluzyjne, które stanowią materiały zapasowe komórki (np. zapasy węgla czy fosforu),

pozachromosomowe elementy DNA, zwane plazmidami,

inne wyspecjalizowane struktury, niekiedy w postaci wyodrębnionych przedziałów komórkowych, różne w zależności od właściwości danego prokariota.

Znakomita większość prokariotów wyposażona jest także w ścianę komórkową, nadającą im kształt. Bakterie ze względu na typ budowy ściany podzielono na dwie grupy – gramujemne mające cienką warstwę peptydoglikanu pokrytą błoną zewnętrzną i gramdodatnie z grubą warstwą peptydoglikanu i bez dodatkowej błony (ryc. 2.2). Archeony mają ściany o zróżnicowanej budowie. Na zewnątrz ściany może występować tzw. warstwa S, która u pewnych archeonów pełni funkcję ściany. Najbardziej zewnętrzną warstwę, otaczającą komórkę, stanowią otoczki, mające przede wszystkim funkcję ochronną. Komórki niektórych wodnych prokariotów są liniowo ułożone we wspólnych pochewkach (ang. sheats), które je chronią i przyczepiają do podłoża.

Ryc. 2.2. Schemat budowy komórki bakteryjnej. IM – ang. inner membrane; OM – ang. outer membrane

Prokarioty mogą też być wyposażone w różnego rodzaju nitkowate białkowe struktury, odchodzące od powierzchni komórek ku środowisku, do których u bakterii zaliczamy fimbrie/pilusy i rzęski (ryc. 2.2), u archeonów fimbrie, archela, kanule i hamusy, uczestniczące w poruszaniu się prokariotów i w ich przyleganiu do różnych powierzchni biotycznych i abiotycznych.

2.3. Cytoplazma, nukleoid i rybosomy

Cytoplazma jest wodnym roztworem zawierającym związki odżywcze, jony, białka (w tym enzymy uczestniczące w reakcjach metabolicznych), produkty przemiany materii, mRNA, tRNA i inne związki, w zależności od rodzaju mikroorganizmu. Nie ma ona w komórkach prokariotycznych żadnej widocznej w mikroskopie elektronowym ultrastruktury. Część płynna cytoplazmy zwana jest cytozolem. Ponieważ stężenie białek w cytozolu jest bardzo duże, ma on lepką konsystencję.

Bakterie i archeony są haploidalne. Genom większości z nich składa się z jednego replikonu, zwanego chromosomem, będącego zwykle kolistą cząsteczką dwuniciowego DNA (jednak u niektórych prokariotów jest on liniowy), niewydzielonego żadną błoną. Transkrypcja i translacja zachodzą zatem w tym samym przedziale komórki, czyli w cytoplazmie. Obserwacja, że chromosom niektórych bakterii z typu Planctomycetes jest zawarty w przedziale, wydzielonym od reszty cytoplazmy błoną, okazała się nieprawdziwa.

Wiele bakterii i archeonów zawiera też w cytoplazmie dodatkowe replikony, zwane chromidami i plazmidami. Chromosomowy DNA jest zasocjowany z pewnymi typami białek, które biorą udział w jego zwijaniu i przyczepieniu do błony komórkowej. Całość tworzy zwartą, bardzo silnie zwiniętą fibrylarną strukturę zwaną nukleoidem (odpowiednik eukariotycznego jądra), która jest dobrze widoczna w mikroskopie elektronowym (ryc. 2.3). Nukleoid składa się z chromosomu i różnych białek niezbędnych do transkrypcji, replikacji i procesowania DNA. Bakteria może mieć więcej niż jedną kopię chromosomu m.in. w zależności od warunków wzrostu.

W cytoplazmie prokariotów występują liczne rybosomy, które pełnią bardzo ważną funkcję w translacji, czyli przełożeniu informacji zawartej w mRNA na białka. Rybosomy prokariotyczne i eukariotyczne są zbudowane w nieco odmienny sposób. Różnią się między innymi wielkością. Wielkość rybosomów (a także wchodzących w ich skład cząsteczek RNA) określa się w jednostkach zwanych swedbergami (S), które są miarą współczynnika sedymentacji. Wartość tego współczynnika wskazuje na zachowanie się makrocząsteczek w czasie wirowania w ultrawirówce. Wartość współczynnika sedymentacji dla małych białek wynosi kilka swedbergów, zaś dla komórek bakteryjnych kilka tysięcy. Dla rybosomów prokariotycznych wynosi ona 70 S, eukariotycznych zaś – 80 S.

Ryc. 2.3. Bakteryjny nukleoid. Mikrografia elektronowa Ralstonia eutropha H16 (TEM). Krótka strzałka pokazuje granicę między cytoplazmą i zdenaturownym nukleoidem. Długa strzałka pokazuje granulę PHB. Skala to 0,2 μm (dzięki uprzejmości: Dieter Jendrossek, zdjęcie z artykułu Wahl i wsp., BMC Microbiology 2012, 12: 262)

Rybosomy prokariotyczne są małymi zaokrąglonymi strukturami, o średnicy 0,02 μm. Składają się z dwóch podjednostek: dużej (50S) i małej (30S), zbudowanych z rybosomowego RNA (rRNA) i białek. Obie części rybosomu są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi oraz oddziaływaniami jonowymi i hydrofobowymi. Ważną rolę odgrywają w tym jony magnezu. Rybosomom i translacji poświęcony jest podrozdział 6.4.2.

W cytoplazmie mogą też być zawarte materiały zapasowe, mikroprzedziały komórkowe, wpuklenia błony cytoplazmatycznej, zwane błonami wewnątrzcytoplazmatycznymi, oraz inne struktury, które zostaną opisane w kolejnych podrozdziałach.

2.4. Ziarnistości stanowiące materiały zapasowe

W odpowiednich warunkach środowiska bakterie odkładają wewnątrz komórki w postaci ziarnistości materiały zapasowe, będące w większości polimerami pewnych związków. Występują one w komórce w postaci osmotycznie nieczynnej. Mogą one stanowić niekiedy znaczącą część suchej masy komórki i są widoczne pod mikroskopem. Należą do nich:

polimery cukrów, np. glikogen, granuloza,

polimery kwasów hydroksyalkanowych,

cyjanoficyna (polipeptyd syntetyzowany bez udziału rybosomów),

lipidy,

polifosforany,

siarka pierwiastkowa.

Często są one widzialne w mikroskopie świetlnym na skutek silnego odbijania światła. Niektóre z nich są otoczone białkową osłonką, o różnym składzie i grubości, która może zawierać enzymy katalizujące syntezę lub rozkład materiału zapasowego.

2.4.1. Granule wielocukrowe

Różne bakterie mogą gromadzić wielocukry jako materiał zapasowy. Na przykład Enterobacteriaceae, Micrococcus luteus i inne bakterie (w tym niektóre sinice) gromadzą glikogen, który jest silnie rozgałęzionym polimerem glukozy. Materiał podobny do skrobi, zwany granulozą (1,4-α-glukan), występuje np. u bakterii z rodzajów Clostridium i Neisseria. Oba wielocukry można wybarwić, podobnie jak skrobię, na fioletowo pod wpływem roztworu jodu w jodku potasu.

2.4.2. Polihydroksymaślan i inne polihydroksyalkaniany

Wiele bakterii i archeonów gromadzi w komórkach granule polihydroksyalkanianów (PHA, ang. poli-β-hydroxyalcanoates), gdy w środowisku dostępne są związki organiczne, a wzrost jest limitowany brakiem innych niż węgiel biogennych pierwiastków chemicznych. Stanowią one zapas węgla i rezerwę energetyczną prokariotów. Zaproponowano, by nazywać je karbonosomami. Granule PHA tworzą w komórce kuliste ciała (ryc. 2.4A i B), które można wybarwić takimi barwnikami, jak błękit nilowy A czy czerń sudanowa. Wykazano, że w skład tych poliestrów może wchodzić ponad 150 różnych kwasów hydroksyalkanowych.

A

B

Ryc. 2.4. Granule polihydroksymaślanu (PHB). A. Komórki sinicy Synechocystis PCC 6803 z widocznymi jasnymi granulami PHB (biała strzałka) i ciemnymi tylakoidami (czarna strzałka) (TEM). B. Schemat budowy granuli PHB. C. Budowa PHB (zdjęcie dzięki uprzejmości: Iris Maldener, Uniwersytet w Tybindze, Niemcy)

Najlepiej poznane są granule złożone z polihydroksymaślanu (PHB, ang. poly-β-hydroxybutyrate) (ryc. 2.4 C). Każda dojrzała granula otoczona jest jednowarstwową osłoną, niezawierającą fosfolipidów, złożoną z kilku rodzajów białek, wśród których są dwa enzymy (ryc. 2.4B):

syntaza PHB, biorąca udział w syntezie tego polimeru,

depolimeraza PHB, odpowiedzialna za jego wewnątrzkomórkowy rozkład, gdy w środowisku brakuje źródła węgla i energii.

Inne białka, zwane fazynami, pełnią funkcję strukturalną.

PHA są wykorzystywane do celów przemysłowych.

2.4.3. Cyjanoficyna

Wiele sinic ma w swojej cytoplazmie granule cyjanoficyny, które mogą stanowić do 10% masy komórki. Granule te składają się ze szkieletu poliasparaginianowego. Do grupy karboksylowej każdej cząsteczki asparaginianu dołączona jest reszta argininowa poprzez grupę aminową. Synteza tego polimeru zachodzi bez udziału rybosomów, a reakcję katalizuje syntetaza cyjanoficyny.

Cyjanoficyna może służyć nie tylko jako zapas azotu, węgla, ale także jako rezerwa energetyczna (np. w okresach braku światła). Powstająca w wyniku hydrolizy cyjanoficyny arginina może bowiem być hydrolizowana przez dihydrolazę argininy do ornityny z wytworzeniem ATP w wyniku fosforylacji substratowej:

arginina + ADP + Pi + H₂O → ornityna + 2 NH₃ + CO₂ + ATP

Cyjanoficynę syntetyzują nie tylko sinice, ale także niektóre bakterie heterotroficzne, np. Acinetobacter calcoaceticus. Geny kodujące białka homologiczne z syntetazami znaleziono w genomach wielu bakterii. Kwas poliasparaginianowy jest biodegradowalnym substytutem poliakrylanów i ma zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i w rolnictwie. Także arginina ma zastosowania praktyczne.

2.4.4. Lipidy

Nieliczne bakterie (ale nie archeony) gromadzą jako materiał zapasowy triacyloglicerole – estry kwasów tłuszczowych i glicerolu. Należą one w większości do typu Actinobacteria (np. rodzaje Mycobacterium, Streptomyces, Rhodococcus, Nocardia). Związki te występują w cytoplazmie w formie kropli (ang. lipid droplets) lub ciał tłuszczowych (ang. lipid bodies) i służą jako zapas węgla i energii. Być może są też wykorzystywane do regulowania płynności błony. Wymienione bakterie mogą też gromadzić w cytoplazmie estry woskowe.

Komórki sinic zawierają bardzo różne materiały zapasowe, w tym lipidy.

2.4.5. Polifosforany

Bakterie gromadzą także polifosforany (PO₃2––O–[PO₃–]n–PO₃2–), które mogą występować w cytoplazmie w formie rozpuszczalnej albo w formie ziarnistości, zwanych wolutyną, od nazwy bakterii, Spirillum volutans, u której po raz pierwszy wykryto te struktury. Inna ich nazwa to ziarnistości metachromatyczne, gdy bowiem wybarwia się komórkę pewnymi barwnikami (np. błękitem toluidynowym), granule polifosforanów barwią się na inny kolor (czerwony) niż kolor stosowanego barwnika. Zjawisko to zwie się metachromazją.

Wolutyna składa się z dziesiątek do setek reszt fosforanowych połączonych wiązaniami bezwodnikowymi. Powstaje z udziałem kinaz polifosforanowych, które dodają do łańcucha polifosforanowego końcowy fosforan z ATP lub z GTP. Uważa się, że może ona:

stanowić zapas fosforu (brak źródła tego pierwiastka bardzo często limituje wzrost prokariotów),

brać udział w metabolizmie energetycznym, bowiem zerwanie wiązań bezwodnikowych uwalnia dużo energii, co umożliwia syntezę ATP,

służyć do wyłapywania i przechowywania kationów (takich jak Ca²⁺, Mg²⁺).

Polifosforany występują u wielu różnych bakterii, takich jak Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Corynebacterium diphtheriae i niektóre sinice. U Agrobacterium tumefaciens i Rhodospirillum rubrum są pokryte błoną, podobnie jak granule polifosforanów, zwane acydokalcysomami, występujące w komórkach eukariotycznych. Zarówno u tych dwóch bakterii, jak i u eukariotów ziarnistości te zawierają H⁺ pirofosfatazę, która katalizuje reakcję rozkładu pirofosforanu z jednoczesnym przeniesieniem protonu, co prowadzi do zakwaszenia wnętrza acydokalcysomu. Polifosforanowe ziarnistości znaleziono też u archeonów, zatem ten typ materiału zapasowego występuje u organizmów zaliczanych do wszystkich trzech domen taksonomicznych.

2.4.6. Krople siarki

Siarka pierwiastkowa występuje w postaci kuleczek silnie załamujących światło u bakterii chemolitotroficznych utleniających H₂S (bezbarwne bakterie siarkowe, takich jak Beggiatoa, Thiotrix (ryc. 2.5) czy Thiomargarita namibiensis, a także u bakterii fotosyntetyzujących (niektóre fototrofy anoksygenne, takie jak Chromatium spp.). Są one obecne w cytoplazmie tak długo, jak długo siarka w zredukowanej formie jest obecna w środowisku. Gdy jej brakuje, siarka wewnątrzkomórkowa jest utleniana i jej zapasy maleją. U chemolitotrofów utlenianie siarki jest źródłem energii. U beztlenowych bakterii fotosyntetyzujących siarka jest donorem elektronów potrzebnych do redukcji CO₂, natomiast u sinic krople siarki mogą być produktem detoksykacji H₂S obecnego w miejscu występowania tych bakterii.

Ryc. 2.5. Thiotrix sp. gromadząca krople siarki. Bakteria została wyizolowana z maty mikroorganizmów z kopalni miedzi Polkowice-Sieroszowice. Preparat przyżyciowy. Powiększenie 1600x (dzięki uprzejmości: Renata Matlakowska Wydział Biologii UW)

2.5. Inne struktury występujące w cytoplazmie

W cytoplazmie prokariotów występują też inne struktury, których zawartość jest oddzielona od cytozolu w różny sposób:

prawdziwą dwuwarstwową błoną (magnetosomy),

błoną jednowarstwową (chlorosomy),

białkową osłonką (pęcherzyki gazowe, karboksysomy, enterosomy itp.).

Struktury z białkowymi osłonkami (ang. shell) nazywane są bakteryjnymi mikroprzedziałami (BMC, ang. bacterial microcompartments). Większość z nich (ale nie pęcherzyki gazowe) zawiera enzymy i stwarza idealne środowisko do katalizy reakcji metabolicznych. Wydaje się, że białka osłonki selektywnie kontrolują przemieszczanie się pewnych związków (w tym toksycznych lub lotnych) między wnętrzem mikroprzedziału a cytozolem.

Trzeba w tym miejscu wspomieć, że niektóre bezbarwne bakterie siarkowe (rodzaje Thioploca, Thiomargarita i morskie gatunki Beggiatoa) wyposażone są w dużą, niespotykaną u innych prokariotów wakuolę, jak się wydaje, wydzieloną od cytoplazmy błoną. Bakterie te uzyskują energię z utleniania siarczków, a przy braku tlenu oddychają azotanami zgromadzonymi w wakuoli. Stężenie tego anionu wynosi 15 do 800 mM, co przekracza 400 do 20 000 razy stężenie w otaczającym środowisku. Cytoplazma Thiomargarita namibiensis, największej ze znanych bakterii tworzy cienką warstwę pod błoną cytoplazmatyczną, a wakuola magazynująca azotany może zajmować ponad 80% objętości komórki.

Wymienione wyżej struktury, wydzielone od reszty cytoplazmy błoną czy osłonką i pełniące określone funkcje, można zatem nazwać organellami, choć ich budowa jest znacznie prostsza niż organelli eukariotycznych.

2.5.1. Magnetosomy

Magnetosomy występują w mikroorganizmach wykazujących magnetotaksję, czyli zdolność do orientowania się względem ziemskiego pola magnetycznego. Taką właściwość mają niektóre glony i bakterie gramujemne. Magnetosomy służą jako kompasy umożliwiające mikroorganizmom zdolnym do ruchu rzęskowego nawigację wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego. W obszarach odległych od równika ziemskie pole magnetyczne ma dużą składową prostopadłą do powierzchni Ziemi. Ruch bakterii wzdłuż pola magnetycznego oznacza zatem, że około połowa populacji bakterii będzie się poruszała w głąb wody. Rola ekologiczna magnetyzmu bakterii nie jest w pełni jasna. Wydaje się jednak, że zdolność tych mikroaerofilnych bakterii do magnetotaksji umożliwia im dotarcie tam, gdzie stężenie tlenu jest odpowiednio małe.

Magnetosomy to struktury błonowe, wykazujące podobieństwo do organelli eukariotycznych. Błona magnetosomu jest wpukleniem błony cytoplazmatycznej, lecz zawiera zestaw odmiennych białek. Większość z nich jest kodowana przez określony region DNA, zwany wyspą magnetosomową (MAI, ang. magnetosome island). Biogeneza magnetosomów jest procesem skomplikowanym i obejmuje następujące etapy (ryc. 2.6):

inwaginacja błony cytoplazmatycznej, aktywowana przez odpowiednie białka Mam,

powstawanie pęcherzyka po pojawieniu się kolejnych białek Mam,

ulokowanie organelli w określonym miejscu komórki z udziałem białka MamK, stanowiącego element cytoszkieletu, i MamJ, związanego z błoną pęcherzyka,

transport żelaza z udziałem odpowiedniego transportera i rozpoczęcie jego biomineralizacji,

wzrost kryształu magnetytu (Fe₃O₄) do określonych wymiarów z udziałem wielu różnych białek kodowanych przez wyspę MAI.

Ryc. 2.6. Model powstawania magnetosomu. IM – błona cytoplazmatyczna; MamK, MamJ, Mms6 – białka uczestniczące w biogenezie magnetosomów; OM – błona zewnętrzna; PP – przestrzeń peryplazmatyczna

Każdy magnetosom zawiera pojedynczy kryształ magnetyczny, którego morfologia zależy od gatunku. Pojedyncze magnetosomy są ułożone w jednej linii i tworzą jeden lub większą liczbę łańcuchów, w których powstawaniu uczestniczą filamenty cytoszkieletu, złożone z białka MamK podobnego do aktyny. Istnieją bakterie magnetotaktyczne, których magnetosomy zawierają kryształy greigitu (Fe₃S₄).

Bakterie magnetotaktyczne są zróżnicowane pod względem metabolicznym i morfologicznym. Znakomita ich większość należy do typu Proteobacteria, ale w 2011 r. opisano pierwszą bakterię magnetotaktyczną należącą do typu Nitrospirae („Candidatus Magnetobacterium bavaricum”). Nie znamy jednak żadnych archeonów zdolnych do magnetotaksji.

2.5.2. Bakteryjne mikroprzedziały

Mikroprzedziały wydzielone białkową osłonką (BMC) występują u bakterii zaliczanych do wielu typów taksonomicznych. Jako pierwsze zostały poznane karboksysomy, w których zachodzi wiązanie dwutlenku węgla u bezwzględnych autotrofów. Potem okazało się, że istnieją BMC zwane przez niektórych badaczy metabolosomami, w których może zachodzić tlenowy i beztlenowy katabolizm różnych związków organicznych. W BMC przebieg procesów metabolicznych jest zoptymalizowany, bowiem:

enzymy i ich kofaktory oraz substraty są zlokalizowane w jednym miejscu,

stężenie ww. związków może być duże,

białkowa osłonka działa jak bariera zatrzymująca lotne lub toksyczne intermediaty reakcji, nie pozwalając im przedostać się do cytozolu.

Osiem różnych szlaków metabolicznych może być przeprowadzanych wewnątrz bakteryjnych mikroprzedziałów. Najlepiej poznane zostały tzw. enterosomy – przedziały pałeczek jelitowych (Enterobacteriaceae), w których zachodzi rozkład 1,2-propandiolu (mikroprzedział Pdu, ang. 1,2-propanediol utilization) i etanoloaminy (mikroprzedział Eut, ang. ethanolamine utilization). Etanoloamina jest pochodną fosfoatydyloetanoloaminy, składnika błony komórkowej zarówno bakterii, jak i człowieka. Może ona służyć jako źródło węgla, azotu i energii pałeczkom jelitowym występującym w jelicie grubym zwierząt, w tym człowieka. Etanoloamina przedostaje się do mikroprzedzialu Eut (ryc. 2.7), gdzie jest rozkładana z udziałem czterech enzymów. Produktem pośrednim tej degradacji jest aldehyd octowy – lotny związek toksyczny. Na szczęście osłonka mikroprzedziału nie przepuszcza tego intermediatu do cytoplazmy i zostaje on rozłożony z udziałem odpowiednich enzymów. Końcowe produkty reakcji, amoniak, etanol, acetylofosforan i acetylo-CoA, przedostają się do cytoplazmy, gdzie są wykorzystywane w metabolizmie komórki.

Ryc. 2.7. Model mikroprzedziału Eut Escherichia coli. Objaśnienia w tekście

Ryc. 2.8. Karboksysomy Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 19377 (pokazane przez strzałkę) (dzięki uprzejmości: Renata Matlakowska Wydział Biologii UW)

Osłonki mikroprzedziałów zbudowane są z pojedynczej warstwy regularnie powtarzających się układów białek, mają kształt wielościanów (o średnicy 100–150 nm) i przypominają kapsydy wirusów. Osłonki karboksysomów są dwudziestościanami (ryc. 2.8), natomiast Eut i Pdu mają kształt mniej regularnych wielościanów.

2.5.3. Pęcherzyki gazowe

Dawniej uważano, że pęcherzyki gazowe (GV, ang. gas vesicles) występują wyłącznie u niektórych prokariotów wodnych (np. sinic tworzących zakwity, fotosyntetyzujących bakterii purpurowych i zielonych oraz halofilnych archeonów) i służą do unoszenia się w wodzie na odpowiedniej głębokości. Okazało się, że są one obecne także w bakteriach z innych środowisk, np. w glebowych Bacillus megaterium i Streptomyces coelicolor. Co ciekawe, pęcherzyki gazowe występują także w endosporach – ale nie komórkach wegetatywnych – dwóch beztlenowych halofilnych bakterii Sporohalobacter lortetii i Orenia sivashensis (typ Firmicutes). Nie wiadomo, jaką pełnią funkcję.

GV to puste w środku struktury o kształcie wrzeciona wypełnione gazem, które silnie załamują światło, więc można je zobaczyć nawet w mikroskopie świetlnym (kontrast fazowy). GV mogą liczyć od 50 nm do 1 μm długości i 30–250 nm średnicy. Jest ich od kilku do kilkuset w jednej komórce.

Budowa pęcherzyków jest bardzo dobrze poznana na poziomie molekularnym. Mają one sztywną osłonkę, zbudowaną z jednej warstwy głównego, hydrofobowego białka GvpA (inne białka występują w mniejszej ilości), nieprzepuszczalnej dla wody, lecz przepuszczalnej dla gazów. Skład gazowy pęcherzyka jest zbliżony do składu gazu w otaczającym środowisku. Dzięki pęcherzykom gazowym komórki mają określoną pławność, co pozwala im unosić się na odpowiedniej głębokości w środowiskach wodnych, gdzie:

stężenie tlenu jest odpowiednio duże, co jest szczególnie ważne w przypadku wód silnie zasolonych,

natężenie światła jest optymalne, co jest kluczowe dla bakterii fotosyntetyzujących i prokariotów wykorzystujących pompy protonowe napędzane światłem (takie jak bakteriorodopsyny i proteorodopsyny).

Nie można wykluczyć, że u niektórych prokariotów rolą GV jest zmniejszenie objętości cytoplazmy, co prowadzi do zwiększenia stosunku powierzchni komórki do jej objętości cytoplazmy. Jest to korzystne i pomaga przeżyć w warunkach stresowych.

Pęcherzyki gazowe mogą być wytwarzane przez komórkę w sposób konstytutywny bądź ich synteza może być indukowana przez warunki środowiska. W przypadku fototrofów niskie natężenie światła może indukować powstawanie nowych GV, a więc prowadzi do zmniejszenia gęstości pławnej i unoszenia się bakterii w górę w słupie wody. Pławność prokariotów może być zmniejszana różnymi sposobami. Przy intensywnym świetle nowe pęcherzyki nie powstają i po podziale komórki pęcherzyki już istniejące ulegają rozdziałowi do komórek potomnych, co prowadzi do ich „rozcieńczenia”. Wydaje się, że może też dochodzić do zapadnięcia się pęcherzyków pod wpływem podwyższonego turgoru komórki. Pławność mikroorganizmów mogłaby się też zmniejszać wskutek nagromadzenia w nich pewnych materiałów zapasowych, np. węglowodanów.

Pęcherzyki gazowe mają potencjalne zastosowania biotechnologiczne, np. do celów biomedycznych. Wyniki badań, w których antygeny wirusów, bakterii i patogenów eukariotycznych połączone z białkiem GvpC były eksponowane na powierzchni pęcherzyków gazowych, są obiecujące i dają nadzieję, że będzie można zastosować GV do produkcji szczepionek. Prowadzone są też badania w zastosowaniu GV jako czynnika kontrastującego w obrazowaniu ultradźwiękowym.

2.5.4. Węglany

W roku 2012 po raz pierwszy opisano sinicę Gloeomargarita lithophora, tworzącą szmaragdowozielone biofilmy na mikrobialitach w jeziorze Alchichica w Meksyku. W jej cytoplazmie występują amorficzne inkluzje węglanów Ca, Sr, Ba, Mg w postaci okrągłych granul o średnicy około 270 nm, które silnie załamują światło i dlatego są dobrze widoczne pod mikroskopem. Dalsze badania wykazały, że zdolność do wewnątrzkomórkowego wytrącania węglanów występuje też u innych rodzajów jednokomórkowych sinic, przy czym u niektórych inkluzje zlokalizowane są w całej objętości komórki (np. G. lithophora), a u innych na jej biegunach (np. Thermosynechococcus elongatus).

Mechanizm biomineralizacji i funkcja, jaką pełnią węglany, nie jest jasna. Postuluje się, że albo buforują one pH cytoplazmy, albo stanowią rodzaj balastu, będącego przystosowaniem do życia na dnie zbiornika wodnego.

Duże ilości koloidalnego kalcytu gromadzą w swoich komórkach bezbarwne bakterie siarkowe z rodzaju Achromatium, które są znane od ponad stu lat, ale nadal uczeni nie potrafią ich hodować. Wydaje się, że kalcyt ma działanie buforujące i przeciwdziała lokalnym zmianom pH (bakterie utleniają siarkowodór do kwasu siarkowego).

2.6. Błona komórkowa prokariotów

Błona komórkowa (cytoplazmatyczna) wszystkich organizmów jest cienką strukturą całkowicie otaczającą cytoplazmę, zbudowaną z fosfolipidów i białek, połączonych oddziaływaniami niekowalencyjnymi. Zarówno do fosfolipidów, jak i do białek mogą być dołączone węglowodany. Główną klasą błonowych lipidów są fosfolipidy, które składają się z: (a) fosforanu glicerolu, stanowiącego szkielet, do którego przyłączone są pozostałe składniki, czyli (b) alkohol i (c) kwasy tłuszczowe – u bakterii i eukariotów lub prenole – u archeonów (ryc. 2.9A i B). Pierwsze dwa składniki stanowią część hydrofilową fosfolipidów, zaś kwasy tłuszczowe i łańcuchy izoprenoidów – część hydrofobową. Różnice w budowie fosfolipidów bakterii i archeonów omówiono w dalszych podrozdziałach.

Ryc. 2.9. Budowa fosfolipidów błonowych prokariotów. A. Bakterie. B i C. Archeony. Niebieskimi cyframi zaznaczono kolejność węgli w glicerolu. R– alkohol. Dalsze objaśnienia w tekście

Jak widać na rycinie 2.10A i B, w błonie cytoplazmatycznej fosfolipidy są ułożone w dwie równolegle biegnące warstwy, tworzące tzw. dwuwarstwę fosfolipidową. Hydrofobowe ogony skierowane są do wnętrza dwuwarstwy, a hydrofilowe główki na zewnątrz – jedna do środowiska, a druga do cytoplazmy. W dwuwarstwie są zanurzone integralne białka błonowe; są też z nią luźno związane niektóre białka cytoplazmatyczne oraz peryplazmatyczne. Noszą one nazwę białek peryferycznych. Niektóre z nich mają część lipidową, która zakotwicza je w błonie. Białka peryferyczne często oddziałują z białkami integralnymi.

Ryc. 2.10. Budowa błony komórkowej prokariotów. A. Schemat budowy błony komórkowej bakterii i niektórych archeonów. B. Schemat budowy jednowarstwowej błony komórkowej niektórych archeonów. C. Budowa cholesterolu. D. Budowa hopanoidu

Błona komórkowa nie jest strukturą sztywną, lecz jest płynną mozaiką lipidów i białek. Cząsteczki białek i lipidów są połączone oddziaływaniami niekowalencyjnymi o charakterze kooperatywnym. Są to wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe. Również takie jony jak Mg²⁺ i Ca²⁺ stabilizują błonę, oddziałując na ujemne ładunki fosfolipidów.

Dzięki fosfolipidom błona stanowi barierę przepuszczalności oddzielającą wnętrze komórki od środowiska, uniemożliwiającą bierny wypływ składników cytoplazmy i niekontrolowany napływ związków ze środowiska do wnętrza komórki. Jedną z ważnych ról białek błonowych jest z kolei pobieranie potrzebnych metabolitów i usuwanie zbędnych produktów na zewnątrz. Fosfolipidy błonowe mogą też oddziaływać swoiście na białka błonowe, wpływając na ich prawidłowe zwinięcie, co może być istotne dla funkcjonowania tych białek.

W odpowiedzi na zmieniające się warunki środowiska prokarioty modyfikują skład swojej błony komórkowej, aby utrzymać jej optymalne właściwości.