Bakterite hõimkonnad I

1. Bakterite hõimkonnad I http://xoomer.virgilio.it/medicine/physiobacteriataxonomy.html

2. Uue Bergey määraja taksonid

3. Seega eristatakse uusimas bakterite süsteemis bakteritel 23 hõimkonda Mõned hõimkonnad on väga suured, näiteks hõimkonnad Proteobacteria, Firmicutesja Actinobacteria, mõned aga väga väikesed. Näiteks hõimkonnad Fibrobacteres ja Dictyoglomi sisaldavad ainult ühte perekonda ja hõimkond Verrucomicrobia ainult kahte perekonda:Verrucomicrobium ja Prosthecobacter.

4. Hõimkondade suurus Osa hõimkondi eristub selgesti ka mingite oluliste fenotüüpiliste tunnuste alusel, osa mitte. Näiteks spiroheedid eristuvad selgesti rakuehituse alusel. G(+) bakterite hõimkond eristub rakukesta ehitustüübi alusel. Aga osa sinna hõimkonda kuuluvaid perekondi siiski erinevad. Näiteks on grampositiivsete bakterite hõimkonda on lülitatud ka mükoplasmad, kel puudub rakukest. Aga kuna mükoplasmade 16SrRNA järjestused on sarnased g(+) bakterite omadele, siis peaksid nad kuuluma ühte hõimkonda. Arvatakse, et mükoplasmad on evolutsioonis rakukesta kaotanud.

5. Bakterite hõimkonnad

6. Hõimkond Aquificae Woese’I evolutsioonipuul nimetatud Aquifexi rühmaks. Sisaldab näiteks perekondi Aquifex, Hydrogenobacter, Thermocrinis (nn pink filaments) ja Desulfobacterium.

7. Hõimkond Aquificae

8. Hõimkond Aquificae Neist läbiuurituimad on Aquifex ja Hydrogenobacter. Hydrogenobacter oksüdeerib vesinikku, tiosulfaati ja väävlit hapnikuga. Neid isoleeritud kuumaveealkatest ja kuumast kompostist. Kemolitoautotroof. Orgaanilisi aineid kasutada ei suuda. Seega on Hydrogenobacter üks vähestest obligaatselt autotroofsetest vesinikubakteritest. Enamik vesinikku oksüdeerivaid baktereid on fakultatiivsed kemolitoautotroofid- nad kasutavad ka orgaanilisi ühendeid.

9. Hõimkond Aquificae CO2 sidumiseks töötab Hydrogenobacteril reduktiivne tsitraaditsükkel

10. Hõimkond Aquificae Aquifex (veetegija) Isoleeriti Islandi lähedalt 106 m sügavuselt hüdrotermaalsest lõõrist. Aquifex pyrophilus on gramnegatiivne hüpertermofiil (Topt = 85 kraadi, T max= 95 kraadi). Ta on kemolitoautotroof. Oksüdeerib vesinikku, tiosulfaati ja väävlit hapnikuga või nitraadiga. Seega on fakultatiivne anaeroob. Orgaanilisi aineid kasutada ei suuda. Aquifex aeolicuse genoom on ka sekveneeritud. See on v. väike (1.55 mb, seega 1/3 E. coli genoomist). Arvatakse, et eubakterite eellane võiski olla sedalaadi hüpertermofiilne kemolitoautotroof.

11. Perekond Thermocrinis (esmalt kirjeldati kui nn pink filaments, mis isoleeriti kuumaveeallikatest; Octopus spring, Yellowstone). Thermocrinis ruber.

12. Thermocrinis ruber esineb üksikute pulkjate rakkudena või pikkade filamentidena. Punaka värvuse annavad karotinoidpigmendid.

13. Paiknemine evolutsioonipuul. Talle evolutsiooniliselt lähedased on Aquifex ja Hydrogenobacter.

14. Thermocrinis ruber kasvas kemolitoautotroofselt, oksüdeerides vesinikku, tiosulfaati ja väävlit hapnikuga. Seega samasugune metabolism nagu Aquifexil ja Hydrogenobacteril. Talub temperatuuri kuni 89 kraadi. Kõige kiiremini kasvab 80 kraadi juures. Aeroobsetes tingimustes suutis kasutada ka mõningaid orgaanilisi aineid, näiteks formiaati.

15. Hõimkond Thermotogae Evolutsiooniliselt on neile lähedasim rühm Aqifexi rühm. Siia kuulub 5 perekonda. Nad on termofiilsed anaeroobsed kääritajad. Neid on eraldatud peamiselt kontinentaalsetest kuumaveelistest S-rikastest allikatest. Käärimisel moodustuv vesinik on neile toksiline ja nende kasv paraneb S juuresolekul, mil moodustub H2S.

16. Hõimkond Thermotogae

17. Hõimkond Thermotogae Perekond Thermotoga Pulgakujulised. Rakku ümbritseb tupetaoline välismembraan e. tooga. See on valguline. Thermotoga perekonna liikmed on ühed termofiilsemad eubakterid, keda tuntakse. Nende Tmax on 90oC ja Topt on 80oC. Tmin on 55oC. Thermotoga on anaeroobne bakter (kääritaja). Teda on isoleeritud nii pindmistest kui ka meresügavikes asuvatest kuumaveeallikatest. Thermotoga maritima

18. Thermotoga kääritab suhkruid atsetaadi moodustamisega. Tema glükolüüs on “tavaline” selles mõttes, et glükokinaas ja fosfofruktokinaas on ATP-seoselised. Seega nendel evolutsiooniliselt vanadel termofiilidel on juba nn uuemat tüüpi glükolüüs.

19. Osadel Thermotoga liikidel on näidatud, et lisaks atsetaadile moodustub neil suhkrute käärimisel ühe käärimisproduktina ka alaniini. Alaniin moodustub suhkrute käärimisel ka arhedel (Pyrococcus, Thermococcus), lambliatel (Giardia lamblia) ja mõnel termofiilsel klostriidil. See võib olla evolutsioniliselt vana tunnus. Ala tekke rada Pyrococcus’el

20. Thermotoga maritima genoom on sekveneeritud. Tema geenijärjestuste uurimine näitas, et ca 50% valgujärjestustest olid sarnased bakterite valgujärjestustele, 25% aga arhede valkude (just Pyrococcus horiksshii valkude) järjestustele. Tehti järeldus, et on toimunud tihe geenivahetus arhede ja evolutsiooniliselt vanade bakterite vahel (horisontaalne geenitriiv). Aquifex aeolicuse genoomis oli 18% geenidest sarnasemad arhede geenidele, Bacillus subtilisel 7%, E. coli’. 3.5%

21. Thermotoga genoomis on väga palju geene, mis kodeerivad erinevaid glükosiidide hüdrolaase (näiteks tsellulaase, ksülanaase, maltodekstriini hüdrolaase jne). Mõned neist geenidest on ka kloneeritud ja vastavad valgud iseloomustatud. Kuna on tegu termofiiliga, siis vastavatel termostabiilsetel valkudel võib olla biotehnologilist rakendust.

22. Hõimkond Thermotogae Perekond Thermosipho Tüüpliik on Thermosipho africanus. Pulgakujulised rakud, millel on ümber öhupallitaoline tooga. Thermosipho saab kasvada ka ketina, mida ümbritseb ühine tooga.

23. Hõimkond Thermodesulfobacteria Hõimkonnas ainult üks perekond - Thermodesulfobacterium. Sellel perekonnal on membraanides eeterlipiidid, mis on bakterite domeenis erandlik. Bakter on termofiil.

24. Hõimkond “Deinococcus-Thermus” Fotol Deinococcus

25. D. geothermalis D. radiopugnans D. murrayi D. grandis D. radiodurans D. proteolyticus D. radiophilus SugukonnaDeinococcaceae liigid ja seos Thermus’e rühmaga T. filiformis 0.1 T. thermophilus T. igniterrae T. flavus (substitution per position) T. aquaticus

26. Hõimkond “Deinococcus-Thermus” Perekond Deinococcus. Deinos on kr. keeles kummaline. Algul klassifitseeriti need bakterid perekonda Micrococcus, kuhu lülitati kõik grampositiivselt värvuvad kokid. Praeguseks on selge, et nad on evolutsiooniliselt kauged nii mikrokokkidest kui ka stafülo- ja streptokokkidest. Deinokokkide rakud värvuvad grampositiivselt ja moodustavad tetraade

27. Deinococcus radiodurans Neil on eriline mitmekihiline rakukest. Nad moodustavad tetraade, kolooniad on pigmenteerunud: roosad, kollakad ja punakad tänu karotinoidpigmentidele. Esmalt isoleeriti neid 1956. aastal lihakonservidest, mida oli kiirgusega steriliseeritud. Deinokokkide mitmekihiline rakukest Deinokokkide pigmenteerunud kolooniad

28. Deinococcus radiodurans Deinokokid taluvad kiirgust (UV ja ioniseerivat kiirgust) paremini kui bakterite endospoorid. Taluvad 3-5 miljonit radi kiirgust. Inimesele on letaalne juba 100 radi.Kiirguse eest kaitsevad bakterit karotinoidpigmendid, mis kustutavad hapnikust kiirguse toimel moodustuvaid radikaale (näiteks hüdroksiidradikaale). Rakkudes on kõrge katalaasi ja SODi aktiivsus. Ka omapärane mitmekihiline ja paks rakukest võib olla seotud kiirgusresistentsusega. On selgunud, et lisaks kiirgusele taluvad need bakterid väga hästi ka kuivustja paljusid mutageene. Kõik need faktorid kahjustavad DNAd –põhjustavad kaheahelalisi katkeid. Deinokokid suudavad neid katkeid efektiivselt parandada.

29. Deinococcus radiodurans Deinokokkide resistentsus gammakiirgusele

30. Deinococcus radiodurans D. radiodurans’i genoom on sekveneeritud. Tal on 2 kromosoomi, üks megaplasmiid ja üks väiksem plasmiid. Kõiki neid geneetilisi elemente on 4 koopiat. Igal rakul (kokil) on neli kambrit, millest igas paikneb üks komplekt neid geneetilisi elemente, mis on rõngaks kokku pakitud. Arvatakse, et korraga on aktiivne ainult 1 või 2 komplekti, millelt toimub transkriptsioon. Teised on pakitud kokku ja neid kaitstakse kahjustuste eest.

31. Deinococcus radiodurans Kui DNA laguneb tükkideks, siis ei haju need tükid tsütoplasmas laiali, vaid jäävad suletuna oma sektorisse, kus algab kromosoomi parandamine. Selline osaliselt parandatud kromosoom saab seejärel liikuda teise sektorisse (leitud ka vastavad poorid), kus tema järjestust võrreldakse teise “kahjustamata” kromosoomi järjestusega ja kasutades viimase järjestusi, parandatakse kokkupaneku vead. Protsessis osaleb RecA valk- kasutatakse homoloogilist rekombinatsiooni.

32. Deinococcus radiodurans Deinokokkide RecA-negatiivsed mutandid on sama kirgustundlikud, kui E. coli. Kui mutanti komplementeerida E. Coli RecA geeniga, siis kiirgusresistentsus ei taastu. Järelikult on Deinococcus’e RecA valk väga spetsiifiline. Kuna deinokokid suudavad nii efektiivselt DNA kahjustusi kõrvaldada, kasutatakse mutageenina deinokokkide mutantide isoleerimisel nitosoguanidiini, mis kutsub esile peamiselt deletsioone. NB! Vene teadlased on avaldanud arvamust, et Deinococcus võib olla pärit Marsilt, kus on kiirgus suurem, kui Maal.

33. Deinococcussuudab 24 tunni jooksul ära parandada (kokku lappida) tükkideks lagunenud DNA. Deinococcus suudab parandada ca 200 kaheahelalist katkestust DNAs. Teised bakterid enamasti ainult 3-5.

34. D. radiodurans: DNA pannakse kokku 24 tunniga 0.013 DSB/Gy With David Schwarz, University of Wisconsin,Madison

35. Vastupidavus kiiritamisele Kiiritatud Ilma kiiritamata Pseudomonas E. coli Shewanella Dr recA- L. plantarum A-G, Deinococcaceae

36. Deinococcus’eennustatavad metaboolsed rajad

37. Deinococcus radiodurans Deinokokke on näiteks isoleeritud kiirgusega steriilitud kuivadelt arstiriistadelt, majatolmust, tekstiilidelt jne. Võimalik, et nende põhireservuaar on toitaineterikas muld, kust nad satuvad tolmuna õhku ja õhu kaudu mujale. Nad on aeroobsed kemoorganotroofid. Deinokokke on soovitatud kasutada ohtlike jäätmete remedieerimiseks. Sageli ladustatakse toksilised ja radioaktiivsed jäätmed koos ja bakterid, kes muidu saaksid toksilisi aineid lagundada, hävivad seal kiirguse tõttu. Deinokokkidesse saaks viia sisse uusi geene, mis kahjutustaksid toksilisi aineid (raskemetalle, muid mürke) kiirgusetingimustes.

38. Deinococcus radiodurans Nii on näiteks ekspresseeritud DeinococcusesE. colielavhõbeda resistentsuse geeni MerA. Selle geeni produkt redutseerib toksilise Hg(II) (näiteks HgCl2) vähemtoksiliseks elementaarseks elavhõbedaks. Deinococcuse jaoks on olemas bakteris autonoomselt replitseeruvad plasmiidid, mida saab võõra DNA vektorina kasutada. Saadud rekombinantset deinokokki kasvatati kiirguse käes toksilise elavhõbedaga keskkonnas ja ta suutis neis tingimustes elavhõbedat kahjutustada. Deinokokki on viidud ka tolueeni lagundamise geenid bakterist Pseudomonas putida ja saadud tolueeni lagundav tüvi.

39. Hõimkond “Deinococcus-Thermus” T. aquaticus Perekond Thermus. Esimene Thermuse liik, T. aquaticus, isoleeriti aluselise veega kuumaveeallikast Yellowstone’i rahvuspargis. Neid on ka kuumast kraaniveest leitud. Need on kemoorganotroofsedaeroobsed bakterid, kes kataboolivad suhkruid, aminohappeid ja orgaanilisi happeid. Taluvad temperatuure kuni 85 oC. Isoleeritakse kuumaveeallikatest.

40. Hõimkond “Deinococcus-Thermus” Perekond Thermus. Enamus tüvedest on pigmenteerunud kas kollaselt või punakalt. Rakud on pleomorfsed pulgad või lühikesed filamendid. Thermus aquaticuserestriktaase kasutatakse laborites. Nad on termostabiilsed. Palju kasutatakse ka Taq polümeraasi, so. T. aquaticuse DNA-seoseline DNA polümeraas, mida kasutatakse PCR tehnoloogias. Tema Topt on 80oC. T. aquaticus

41. Hõimkond Chloroflexi (rohelised mitteväävlibakterid) Siia kuuluvad rohelised fotosünteesivad bakterid perekondadest Chloroflexus, Chloronema, Oscillochloris ja Heliothrix. Need bakterid on anoksügeensed fototroofid: ei tekita fotosünteesil hapnikku. Kõik kultiveeritavad esindajad on termofiilid ja liiguvad libisevalt. Fotosünteesil saavad kasutada süsteeme H2 + CO2, aga ka H2S + CO2, kuid võimaluse korral kasvavad siiski fotoheterotroofselt. Chloroflexus

42. Hõimkond Chloroflexi (rohelised mitteväävlibakterid) Arvatakse, et see haru on kõige ürgsem fotosünteesivate bakterite haru. Nendel on CO2 fikseerimiseks rada, mida teistel fotosünteesivatel bakteritel pole kirjeldatud – hüdroksüpropionaadirada. Huvitaval kombel on nii rohelistel väävli- kui ka mitteväävlibakteritel klorosoomid. Arvatakse, et klorosoomide geenid said rohelised mitteS-bakterid lateraalse geenitriiviga hiljem rohelistelt S-bakteritelt. Hästi on läbi uuritud just Chloroflexus, kes moodustab pakse mikroobseid matte aluselistes ja neutraalsetes kuumaveeallikates.

43. Hõimkond Chloroflexi (rohelised mitteväävlibakterid) Trihhoomides esinevad nn varrukad, rakul välismembraanis puuduvad lipopolüsahhariidid. Samasugused varrukad esinevad ka nende bakteritega suguluses oleval Herpetosiphon’il, kes ei fotosünteesi. Herpetosiphonit esineb massiliselt veepuhastusseadmete aktiivmudas, kus nii tema, kui ka teised niitjad bakterid muudavad muda raskesti sadenevaks ja see on probleem.

44. Hõimkond Chloroflexi (rohelised mitteväävlibakterid) Herpetosiphonikolooniad on pigmenteerunud: kollakad, oranzhikad, punakad, mis tuleb karotinoididest. Herpetosiphoni tüved lagundavad biopolümeere: tärklist, kitiini, tselluloosi, ksülaani, eskuliini, zhalatiini, kaseiini. Aktiivsemad hüdrolüütikud on mullast ja veest isoleeritud tüved, aktiivmuda tüved on nörgemad ega hüdrolüüsi teisi polümeere peale tärklise.

45. Herpetosiphon Varrukad vöivad tekkida nii, et kui niidis mingi rakk sureb, siis niit katkeb selle koha pealt ja otsa jääb tühi rakk, nn varrukas.

46. Hõimkond Chloroflexi (rohelised mitteväävlibakterid) Rohelistel bakteritel paikneb osa fotosünteesipigmente klorosoomides. Need on valgulise membraaniga põiekesed, mis paiknevad vahetult rakumembraani all. Fotol näidatud noolega.

47. Hõimkond Thermomicrobia Siia kuulub ainult üks perekondThermomicrobium. Thermomicrobium roseum isoleeriti Yellowstone’i rahvuspargist kuumaveeallikast. T. roseumi rakud on pleomorfsed lühemad pulgad. Termofiil, graamnegatiivne, range aeroob. Thermomicrobium

48. HõimkondNitrospirae Siia kuuluvad perekonnad Nitrospira, Leptospirillum, Magnetobacterium, Thermodesulfovibrio. Viimane on termofiilne sulfaate redutseeriv perekond. See rühm on füsioloogiliselt kirju. Sisaldab aeroobe, anaeroobe, raua- ja redutseeritud N-ühendite oksüdeerijaid jne.

49. HõimkondDeferribacteres Siia kuuluvad perekonnad Deferribacter, Flexistipes, Geovibrio ja Synergistes. Deferribacter thermofilus. Naftamaardlast isoleeritud termofiilne rauahingaja. Flexistipes sinusarabici. Punasest merest isoleeritud halofiilne bakter. Synergistes jonesii. Loomavatsast isoleeritud bakter. Geovibrio ferrireducens. Fülogeneetiliselt teistest kauge rauahingaja. G(-) vibrioon.

50. HõimkondCyanobacteria Neid ühendab Chl a esinemine ja oksügeenne fotosüntees. Nende tunnuste poolest sarnased taimedele. Fülogeneetiliselt terviklik grupp. Hõimkonnas ei ole mittefotosünteesivaid liike.