ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Μικροβιακή Γενετική. Ακραιόφιλα βακτήρια. Διδάσκουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια Αμαλία-Σοφία Αφένδρα

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Μικροβιακή Γενετική Ακραιόφιλα βακτήρια Διδάσκουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια Αμαλία-Σοφία Αφένδρα

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Ακραιόφιλαβακτήρια (Extremophiles)

4 Στοιχεία απαραίτητα για τη ζωή Θερμοκρασία Καταβολισμός μορίων& γενετικού υλικού: 125 C Πολύ χαμηλή θερμοκρασία: τα κύτταρα αντιδρούν με πολύ αργό ρυθμό δεν μπορούν να επιζήσουν Νερό Απαραίτητογιατηνεπιβίωση. Ατμόσφαιρα Προστατεύει από την υπεριώδη ακτινοβολία Ρυθμίζει την θερμοκρασία ημέρας, νύχτας, και κάθε εποχής Συγκρατείται από τη βαρύτητα του πλανήτη

5 Στοιχεία απαραίτητα για τη ζωή Ενέργεια Σεμορφή: φωτός(ήλιος) χημικών στοιχείων(θείο, σίδηρος, μαγγάνιο) Τροφή(θρεπτικάσυστατικά) Κατασκευή, διαμόρφωση και διατήρηση του σώματος ενός οργανισμού.

6 Τι είναι τα ακραιόφιλα βακτήρια; Βακτήρια τα οποία ζουν σε ακραίες συνθήκες διαβίωσης (συγκρινόμενες με τις ανθρώπινες) Πώς επιβιώνουν τα ακραιόφιλα βακτήρια; Παράγοντας ένζυμα τα οποία δρουν σε αυτές τις ακραίες συνθήκες. Γιατί ελκύουν το ενδιαφέρον; Διότικαιμόνοηδιαβίωσητουςσεαυτέςτιςακραίες συνθήκες μας προξενεί ενδιαφέρον. Διότιαποτελούντοέναυσματηςέρευναςγιατηζωήσε άλλους πλανήτες Διότι παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον από γενετικής πλευράς άρα και βιοτεχνολογικής αξιοποίησης

7 Ευβακτήρια Αρχαία Ευκάρυα Κοινός πρόγονος

8

9 Βασίλειο Χαρακτηριστικό Βακτήρια Αρχαία Ευκάρυα Πυρηνικό περίβλημα απόν απόν παρόν Οργανίδια εγκλεισμένα σε μεμβράνες Πεπτιδογλυκάνες στο κυτταρικό τοίχωμα RNA πολυμεράση απόν απόν παρόν παρόν απόν απόν Ένα είδος Πολλά είδη Πολλά είδη Αμινιξύ- εκκινητής για έναρξη πρωτεϊνοσύνθεσης Φορμυλομεθειονίνη Μεθειονίνη Μεθειονίνη

10 Βασίλειο Χαρακτηριστικό Βακτήρια Αρχαία Ευκάρυα Ιντρόνια Απόκριση στα αντιβιοτικά στρεπτομυκίνη& χλωραμφαινικόλη Ιστόνες συνδεδεμένες με DNA απόντα Παρεμποδίζεται η ανάπτυξη Παρόντα σε μερικά γονίδια Δεν παρεμποδίζεται η ανάπτυξη παρόντα Δεν παρεμποδίζεται η ανάπτυξη απούσες παρούσες παρούσες Κυκλικό χρωμόσωμα παρόν παρόν απόν Ικανότητα ανάπτυξης σεθερμοκρασίες> 100 C όχι Μερικά είδη όχι

11 Αλλα στοιχεία Ηύπαρξητουςείχεαρχίσειναδιερευνάταιπάνωαπό 40 χρόνια πριν. Τα τελευταία 30 χρόνια μελετώνται συστηματικότερα. Οι συνθήκες στις οποίες αναπτύσσονται τα ακραιόφιλα επικρατούσανπριναπόχιλιάδεςχρόνια. Αυτές οι συνθήκες είναι παρούσες σήμερα σε συγκεκριμένες περιοχές της γης. Πολλές από αυτές επικρατούν σήμερα σε άλλους πλανήτες. Πολλοί από τους ακραιόφιλους μικροοργανισμούς είναι ευβακτήριαήαρχαία. Μερικοίείναιευκαρυωτικοίοργανισμοί.

12 Συνθήκες στο διάστημα Πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Ηλιακή& γαλαξιακή ακτινοβολία Κενό Ευρώπη(δορυφόρος του Δία) Πιθανή ύπαρξη υδατικού ωκεανού κάτωαπόέναστρώμαπάγουπολύ παχύ για να επιτρέπει τυχόν φωτοσύνθεση στο υπέδαφος

13 Τιτάν(δορυφόροςτουΚρόνου) Περιβάλλεται από ομίχλη αζώτου. Περιέχει οργανικά μόρια(;) Μερικοί μετεωρίτες περιέχουν αμινοξέα και απλά σάκχαρα Πιθανή συνεισφορά στη διάδοση της ζωής Images courtesy of the Current Science & Technology Center

14 Συνθήκες στο διάστημα Πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Ηλιακή& γαλαξιακή ακτινοβολία Κενό κυανοβακτήρια αλόφιλα υπεραλόφιλο Haloarcula σε κρύσταλλο NaCl BioPan

15 Βιωσιμότητα στο διάστημα Σπόρια Bacillus subtilis Ανθεκτικά επί έτη σε διπλο- πολυστιβάδα ή σε γλυκόζη Πολύ ευαίσθητα(μερικά λεπτά) σε μονοστιβάδα

16 Βιωσιμότητα στο διάστημα ΒακτηριοφάγοςΤ-1 Ιόςτουμωσαϊκούτουκαπνού Η βιωσιμότητα χάνεται σε μερικές εβδομάδες

17 Βιωσιμότητα στο διάστημα Deinococcus radiodurans Δεν επιζεί μεγάλος κατακερματισμός του DNA (αμφιλεγόμενα αποτελέσματα)

18 Βιωσιμότητα στο διάστημα Αλόφιλα βακτήρια Επιζούν για τουλάχιστον δύο εβδομάδες Το πρώτο παράδειγμα βλαστικού κυττάρου που επέζησε μετά από έκθεση στο περιβάλλον του διαστήματος

19 Οι κύριες κατηγορίες των ακραιόφιλων Θερμόφιλα& υπερθερμόφιλα Ψυχρόφιλα& υπερψυχρόφιλα Οξεόφιλα Βασεόφιλα ή αλκαλόφιλα Μέτρια αλόφιλα& υπεραλόφιλα Και ακόμα: Βαρόφιλα(υψηλή πίεση υποθαλάσσιες πηγές) Ωσμόφιλα(υψηλή περιεκτικότητα σακχάρων) Ξηρόφιλα(απουσία νερού έρημοι) Αναερόβια(απουσία οξυγόνου) Ενδόλιθα(βράχοι, σπήλαια) Τοξικόφιλα(αντοχήσετοξικέςουσίες βενζόλιο)

20 Ακραίες θερμοκρασίες (εύρος: -1 έως120 C) Θερμόφιλα- υπερθερμόφιλα: υψηλή θερμοκρασία Θερμοί πίδακες/δίνες, θερμές πηγές Συμβίωση με ακραιόφιλα χημικών συνθηκών Ταένζυμάτουςείναιδραστικάσευψηλήθερμοκρασία. Οι κυτταρικές τους μεμβράνες είναι ανθεκτικές στην υψηλή θερμοκρασία.

21 Θερμές πηγές

22 Θερμές πηγές Obsidian Pool, Yellowstone National Park

23 Θερμόφιλα Hydrothermal Vents

24 Μεμβράνες ακραιόφιλων βακτηρίων Περισσότερα κεκορεσμένα λιπαρά οξέα Ενίσχυση των υδροφοβικών αλληλεπιδράσεων (τα συστατικά της μεμβράνης συγκρατούνται μεταξύ τους καλύτερα) Αιθερικοί δεσμοί- πιο σταθεροί από τους εστερικούς δεσμούς που διαθέτουν οι μεμβράνες των μεσόφιλων οργανισμών

25 Μεμβράνες ακραιόφιλων αρχαίων Αιθερικοί δεσμοί- πιο σταθεροί από τους εστερικούς δεσμούς που διαθέτουν οι μεμβράνες των μεσόφιλων οργανισμών Καθόλου λιπαρά οξέα: παράγωγα ισοπρενίων Γενικά, διαφορετικά συστατικά και περισσότερες αλληλεπιδράσεις

26 Πρωτεΐνες Οι πρωτεΐνες είναι πιο συμπαγείς Επιτρέπουν περισσότερες αλληλεπιδράσεις (ελαφριές ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις) Ένζυμα Αυξημένος αριθμός δισουλφιδικών δεσμών Σύνθεση επιπλέον πρωτεϊνών για τη διαδικασία της αναδίπλωσης DNA Στο δίκλωνο DNA προσδένονται επιπλέον πρωτεΐνες Πρωτεΐνες αντίστοιχες των ιστονών παρούσες Αρνητική υπερσπείρωση Αντίστροφη DNA γυράση

27 Ακραίες θερμοκρασίες (εύρος: -1 έως100 C) Ψυχρόφιλα: χαμηλή θερμοκρασία Αρκτική, Ανταρκτική Το 1/2 της επιφάνειας της Γής καλύπτεται από ωκεανούς με θερμοκρασία10-40 C Βαθιάθάλασσα: ( 10) (-40) C Τα περισσότερα ψυχρόφιλα βασίζονται στη φωτοσύνθεση

28 Ψυχρόφιλα

29 Ψυχρόφιλα

30 Μεμβράνες Λιγότερο συμπαγείς, πιο ευέλικτες (α- έλικες, πολικές ομάδες) Ακόρεστα λιπαρά οξέα

31 Χημικά ακραιόφιλα (ακραιόφιλα σε χημικές ουσίες) Οξεόφιλα όξινο περιβάλλον(ph<5) Θερμοί πίδακες/δίνες και θερμές πηγές

32 Sulfolobus solfataricus(ph 2, 85 o C)

33 Οξεόφιλα ph νερού0-1 (Iron Mountain)

34 Χημικά ακραιόφιλα (ακραιόφιλα σε χημικές ουσίες) Βασεόφιλα ή αλκαλόφιλα αλκαλικό περιβάλλον(ph>9) Λίμνες με μεγάλη περιεκτικότητα σε αλάτι(soda lakes) στην Αφρική και τις δυτικές ΗΠΑ

35 Αλκαλόφιλα Mono Lake ph 9 αλατότητα 8%

36 Χημικά ακραιόφιλα (ακραιόφιλα σε χημικές ουσίες) Αλόφιλα Υψηλή αλατότητα (περίπου 10πλάσια από αυτήν του θαλασσινού νερού) Φυσικές λίμνες με μεγάλη περιεκτικότητα σε αλάτι και τεχνητές δεξαμενές Συμβίωση με τα ακραία αλκαλόφιλα

37 ROPOS (Remotely Operated platform for Ocean Science)

38 Αλόφιλα Ανθεκτικά σε υψηλή συγκέντρωση άλατος Διεσπαρμένα και στα τρία βασίλεια Μηχανισμός αντοχής στην υψηλή συγκέντρωση αλάτων Παραγωγή ή εισροή ιόντων Σύνθεση συμβατών διαλυτών compatible solutes)

39 Οσμοτική προσαρμογή στα προκαρυωτικά κύτταρα Πολύπλοκος μηχανισμός φυσιολογίας& γενετικής Αντίληψη& αντίδραση των βακτηρίων στις διακυμάνσεις που συμβαίνουν στο υδατικό περιβάλλον Πορείες μεταγωγής σήματος ενεργοποίηση ή καταστολή ωσμωρυθμιζόμενων συστημάτων

40 Halobacteriaceae Halanaerobiales Salinibacter rubrum (ακραία αλόφιλα) Πρακτική salt-in : Συσσώρευση πολλών ανόργανων ιόντων στο κυτταρόπλασμα (ενδοκυτταρική προσαρμογή) Μέτρια αλόφιλα βακτήρια ή αρχαία Πρακτική salt-out : Μεταφορά ή/και βιοσύνθεση μικρώνοργανικώνενώσεων, φιλικών προς το περιβάλλον του κυττάρου (συμβατοί διαλύτες)

41 Εκτοΐνη Από τους πιο διαδεδομένους συμβατούς διαλύτες Εντοπίσθηκε για πρώτη φορά στο Ectothiorhodospira halochloris (Galinski et al., 1985) Παράγεται από: ακτινοβακτήρια firmicutes γ-πρωτεοβακτήρια Rhodovulum sulfidophilum Rhodovibrio salinarum α- πρωτεοβακτήρια Δενέχειαναφερθείσύνθεσηεκτοΐνηςαπόκυανοβακτήρια, αρχαία, ευκαρυωτικά.

42 Όσμωση Υψηλή συγκέντρωση άλατος Το νερό εγκαταλείπει το κύτταρο

43 Προσαρμοστικότητα σε υψηλή συγκέντρωση άλατος Προςαποφυγήτηςπλασμόλυσης: Παραγωγή ή εισαγωγή συμβατού διαλύτη Συμβατοί διαλύτες(compatible solutes) γλυκερόλη Γλυκινο βεταΐνη Συστατικά που αυξάνουν την εσωτερική κυτταρική συγκέντρωση διαλύτη

44 Αλλα ακραιόφιλα Ανθεκτικά σε ακτινοβολία Ενδο-λιθόφιλα

45 Deinococcus radiodurans (ευβακτήριο)

46 Deinococcus radiodurans(ευβακτήριο) Ανθεκτικό σε ιονίζουσα ακτινοβολία και οξείδωση Επιζεί μετά από ακτινοβόληση 3000 φορές μεγαλύτερη από αυτή που είναι θανατηφόρα για τον άνθρωπο Μεγάλη ικανότητα επιδιόρθωσης του DNA του, το οποίο κατακερματίζεται με την ακτινοβόληση Επιζεί μετά από ξήρανση Δεν αντέχει σε μεγάλη θερμοκρασία

47 Ενδόλιθα/ Λιθόφιλα Αρχαία, βακτήρια, μύκητες Σεβράχους3 km κάτωαπότην επιφάνειακαικάτωαπότοβυθό του ωκεανού Τρέφονταιμείχνησιδήρου, θείου, καλίου Μικρός χρόνος αναπαραγωγής Ενδολιθικά κυανοβακτήρια σε απολιθώματα

48 Ακραίες συνθήκες Μέγιστη θερµοκρασία: 113 C Ελάχιστη θερµοκρασία: -15 C Μέγιστοβάθος: 2 µίλια Μέγιστηοξύτητα: ph0.0 Μέγιστηβασικότητα: ph 11 Ακραιόφιλο Pyrococcus furiosus(vulcano Island, Ιταλία) Crypotendolithotrophs(Antartica) Μη ταξινοµηµένοι οργανισµοί σε βράχους του υπεδάφους Είναι εκτεθειµένοι δε υψηλή θερµοκρασία και ακτινοβολία Μη ταξινοµηµένοι οργανισµοί σε γύψινα υποστρώµατα σπηλαίων(ph 5-8) Αλκαλόφιλα βακτήρια σε περιοχές όπου είχε προηγηθεί εξάτµιση νερού, την οποία ακολούθησε εναπόθεση στρωµάτωνορυκτών(βασικών)

49 Χαρακτηριστικά θερμόφιλα Thermotoga maritima, Courtesy Karl Stetter Thermocrinis ruber, Courtesy Karl Stetter

50 Mushroom Spring Yellowstone National Park Απομόνωση Thermus aquaticus(tom Brock)

51 Taq DNA polymerase: Thermus aquaticus PCR Thermus aquaticus

52

53 Ενζυμα Τα ένζυμα καταστρέφονται από: Θέρμανση Οξέα Βάσεις Η δράση των ενζύμων παρεμποδίζεται από: Ψύξη Άλατα

54 Πρακτικέςεφαρμογές Ακραιόζυμο: ένζυμο απομονωμένο από ακραιόφιλο Δυνητική χρήση ακραιόζυμου Σε αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας Σε δεξαμενή ψυχρού διαλύματος Σε όξινη δεξαμενή Σε νερά υπονόμου/ αποχετεύσεων Σε διάλυμα υψηλής αλατότητας

55 Πρακτικέςεφαρμογές Θερμόφιλα Ένζυμα με αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία Ψυχρόφιλα Ένζυμα με δράσησε χαμηλή θερμοκρασία Απορρυπαντικά που χρησιμοποιούνται σε κρύο νερό Βιομηχανία αρωμάτων Οξεόφιλα Ζωοτροφές εμπλουτισμένες με ένζυμα Αλκαλόφιλα Ένζυμα που μαλακώνουν τα υφάσματα Απορρυπαντικά Ένζυμα που διαλύουν πρωτεΐνες& λίπη

56 Βιοτεχνολογικές εφαρμογές των ακραιόφιλων Μικροοργανισμοί Ένζυμα, ενδογενή συστατικά Εφαρμογές, προϊόντα Θερμόφιλοι ( ºC) Ψυχρόφιλοι (5-20 ºC) Αμυλάσες Ξυλανάσες Πρωτεάσες DNA πολυμεράσες Ουδέτερες πρωτεάσες Πρωτεάσες Αμυλάσες Λιπάσες Πολυακόρεστα λιπαρά οξέα Παγοπρωτεΐνη Γλυκόζη, φρουκτόζη ή γλυκαντικά Λεύκανση χαρτιού Παραγωγή αμινοξέων από κερατίνες, κατεργασία τροφών, ζύμωση, μπύρα, απορρυπαντικά Γενετική μηχανική Ωρίμανση τυριού, παραγωγή γαλακτοκομικών Απορρυπαντικά Φαρμακευτικά προϊόντα Τεχνητό χιόνι

57 Βιοτεχνολογικές εφαρμογές των ακραιόφιλων Μικροοργανισμοί Οξεόφιλοι (ph < 2) Αλκαλόφιλοι (ph >9) Αλόφιλοι (αλατότητα 3-20%) Ένζυμα, ενδογενή συστατικά Οξείδωση θείου Πρωτεάσες Αμυλάσες Λιπάσες Κυκλοδεξτρίνες Αντιβιοτικά Καροτένιο Γλυκερόλη Συμβατοί διαλύτες Μεμβράνες Εφαρμογές, προϊόντα Αναγωγή κάρβουνου Απορρυπαντικά Σταθεροποίηση πτητικών συστατικών Φαρμακευτική χρήση Χρώση τροφών Φαρμακευτική χρήση Φαρμακευτική χρήση Επιφανειοδραστικές ουσίες για φαρμακευτική χρήση

58 SAMPLE PROKARYOTE EXTREMOPHILES 2um 1.8um 1um Thermotoga Aquifex Halobacterium 0.6um 0.9um 0.9um Methanosarcina Thermoplasma Thermococcus 1.3um 0.6um 0.7um Thermoproteus Pyrodictium Ignicoccus

59 Τέλος Ενότητας

60 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

61 Σημειώματα

62 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.

63 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια Αμαλία-Σοφία Αφένδρα. «Μικροβιακή Γενετική. Ακραιόφιλα βακτήρια». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

64 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1]