Definiranje okolja mikroorganizmov

Transcript

1 Definiranje okolja mikroorganizmov David Stopar Novi sad 2007 Izr. prof. dr. David Stopar Univerza v Ljubljani, BF Oddelek za živilstvo Katedra za mikrobiologijo Večna pot david.stopar@bf.uni-lj.si Web:

2

3 Osnovna molekula tkanine vodnega ekosistema Martin Chaplin

4 Struktura vode: vodikova vez Ker ima kisik 8 nabojev v primerjavi z 1 nabojem na vodiku je bolj elektronegativen (večja gostota naboja) in bolj privlači elektrone. Dolžina vodikove vezi je ~ 0.2 nm. Energija vodikove vezi je: O H... :N (7 kcal/mol) O H... :O (5 kcal/mol) N H... :N (3 kcal/mol) N H... :O (2 kcal/mol)

5 Jakost vodikove vezi kritična konstanta življenja

6 Strukturiranost vode: biciklo-oktameri Struktura A ima visoko orientacijsko entropijo in večjo gostoto, struktura B ima bolj orientirano strukturo, nižjo gostoto in več vodikovih vezi. Razmerje je odvisno od fizikalnih pogojev, topljencev in površin in je odgovorno za veliko anomalij v vodi.

7 Struktura vode: klastri ciklični pentamer biciklo-oktamer triciklo-dekamer

8 Osnovni vzorec tkanine ekosistema ekspandirana kolapsirana struktura struktura

9 Raztapljanje snovi v vodi: strukturni aspekt ES CS ekspandirana struktura vode nizka gostota KAOTROPI npr. NH + 4 topnost hidrofobnih spojin kolapsirana struktura voda visoka gostota KOZMOTROPI npr. Li + topnost makromolekul

10 Povečanje števila vzorcev osnovne tkanine ekosistema a. centralni dodekahedron b. kubična votlina c. tetrahedralna votlina d. oktahedralna votlina KAOTROPI: SCN -, H 2 PO 4-, HSO 4-, HCO 3-, I-, Cl -, NO 3-, NH 4+, Cs +, K +, guanidin, tetrametil amonij KOZMOTROPI: Li +, Na +, SO 4 2-, HPO 4 2-, Mg 2+, Ca 2+, H +, OH -, HPO 4 2

11 Raztapljanje ionov: klastri in kolapsirani klastri dodekahedralni klastri se lahko naredijo okrog naslednjih ionov: NH 4+, H 3 O +, Cs +, N 2, O 2, CH 4, H 2 S, CO 2, (H 2 ) 2,(H 2 ) 4, C 2 H 6, C 3 H 8, žlahtni plini razen He, ki je premajhen oktahedralne votline se naredijo okrog naslednjih ionov: Na +, K +, Ca 2+, Cl -, Br- kubične votline se naredijo okrog: trivalentnih lantanidnih in aktinidenih ionov

12 Raztapljanje sulfata in fosfata Hidratacija sulfata s 16 molekulami vode. Podoben klaster tvori tudi fosfat v vodi.

13 Vpliv vode na aktivnost proteina Povezava dveh heliksov v proteinu preko mreže vodikovih vezi med molekulami vode. Mreža molekul vode določa detajlno strukturo in molekularne vibracije (Xray kristalografija glukoamilaze)

14 Vpliv nukleotidov na strukturiranost vode Za B konformacijo DNA je potrebno ~ 30 % vode vezane na DNA. Dehidracija omogoča nastanek A-DNA, kar poveča supernavitje DNA. Nadaljna dehidracija privede do D-DNA.

15 Vpliv sladkorja na strukturiranost vode

16 Vpliv hidrokoloida na osnovno tkanino ekosistema povečanje koncentracije vodi do globularnih struktur povečanje koncentracije vodi do zamreženih struktur povečanje koncentracije hidrokoloida

17 Vpliv hidrokoloida na osnovno tkanino ekosistema Kerner et al., Nature 422:

18 Vpliv hidrokoloida na osnovno tkanino ekosistema (A) Celica z mineraliziranimi filamenti in nemineraliziranimi fibrili (B) FeOOH-mineralizirani filamenti filtrirani iz vode nad biofilmom skala= 0.5 µm Chan et al., 2004 Science 303:

19 Vpliv hidrokoloida na osnovno tkanino ekosistema divji sev mutanta Pseudomonas aeruginosa pobarvana z rutenij-rdečim

20 Vroče točke mikrobne aktivnosti Azam F., 1998 Science 280:

21 Vpliv ph hidrokoloida na strukturiranost osnovne ξ tkanine ekosistema ph 11 Ξ ph 9 ph 1 Dogša et al., Biophysical Journal, 89:

22 Viskoelastični materiali viskozni odziv strižna napetost elastični odziv disipacija čas

23 Viskoelastični materiali: optična pinceta

24 nizka hitrost velika ravnotežje periodično kaotično

25 Reynoldsovo število in prehod iz lamelarnega v turbulentni tok Reynoldsovo število je brezdimenzionalna konstanta in je glavna determinanta kvalitativnega obnašanja toka. Re inercijske sile viskozne sile ρ l v Re= η Reynoldsovo število. Če je Re > 2000 potem imamo opravka s turbulentnim tokom tekočine. ρ = gostota r = karakteristična dolžina v = hitrost η = dinamična viskoznost

26 Reynoldsovo število in gibanje bakterij Re = ρ l v η = cm 3 10 cm s 1g cm 5 = g cm s Za bakterijo velja, da je l = 10-4 cm v = 3 x 10-3 cm s -1 ρ = 1 g cm -3 Gibanje bakterije v vodi v celoti določa viskoznost! η = 10-2 g cm -1 s -1

27 Življenje pri nizkih Reynoldsovih številih Bakterijo potiskamo v vodi s hitrostjo 30 µm/s. Ko jo nehamo potiskati se bo zaustavila po: prepotovana razdalja: ~ 0.1 Å čas potovanja: ~ 0.6 x 10-6 s

28 Disipacija turbulentne energije hitrost disipacije 7.56 cm Wright et al., 1997 Science 278:

29 Kolmogorova dolžina l K v = ε ν = kinematična viskoznost ε = hitrost viskozne disipacije ε = 10-1 na površini z močnim vetrom ε = 10-6 na termoklini Kolmogorova dolžina je v rangu od mm do cm, kar je precej več kot znaša dimenzija mikrobne celice.

30 Življenje pri nizkih Reynoldsovih številih Mešanje Čas potreben za transport substrata na razdalji, l, z mešanjem Difuzija Čas potreben za transport substrata na razdalji, l, z difuzijo t m = l v 2 l t D = D Mešanje bo uspešno le, če je čas potreben za transport z mešanjem krajši od difuzijskega časa

31 Življenje pri nizkih Reynoldsovih številih lv D >1 Sherwoodovo število Pri bakterijah je Sherwoodovo število ~ 0.01 kar pomeni, da si bakterija z mešanjem lokalno ne more pomagati, vse mora opraviti z difuzijo

32 Bakterijsko lokalno okolje Bakterijsko lokalno okolje je definirano z radijem difuzijskega bazena. Če bakterija želi priti na novo okolje, v nov difuzijski bazen, potem se mora premakniti tako, da velja l D v Če je D = 10-5 cm 2 /s in v = cm/s l 30 µm če bakterija ni preplavala tako daleč ni naredila NIČ Purcell, 1976 American Journal of Physics 45: 3-11

33 Bakterijsko lokalno okolje Volumen difuzijskega bazena bakterijske celice z radijem 30 µm je µm 3 : 1: V celice V okolja

34 Uporaba točkovnih virov v lokalnem okolju 50 µm Fenchel T Science 296:

35 Med difuzijskim in turbulentnim okoljem Thiovulvum majus lv D 40 bakterija si lahko pomaga s konvekcijo

36 Med difuzijskim in turbulentnim okoljem 0.25 mm Thiovulvum majus Fenchel and Glud Nature 394,