Ορισμένα στελέχη είναι αρκετά ανεκτικά στο Ο 2 (συνήθως συνυπάρχουν με κυανοβακτήρια που παράγουν Ο 2 ) και στην πραγματικότητα αναπνέουν με

Transcript

1 Ορισμένα στελέχη είναι αρκετά ανεκτικά στο Ο 2 (συνήθως συνυπάρχουν με κυανοβακτήρια που παράγουν Ο 2 ) και στην πραγματικότητα αναπνέουν με ηλεκτρονιοδέκτη Ο 2. Η αερόβια αναπνοή όμως, δεν υποβοηθά την ανάπτυξη, αλλά αποτελεί μέσο απομάκρυνσης του Ο 2. Τα θειοαναγωγικά βακτήρια είναι διαδεδομένα σε υδατικά και χερσαία ανοξικά ενδιαιτήματα. Η ανάπτυξη του Desulfotomaculum σε κονσέρβες και η αναγωγή θειικών προκαλεί την αλλοίωση γνωστή ως θειούχο οσμή. Φύλο 2. Θετικά Gram (+) βακτήρια Μη σπoριωτικά, Gram (+) βακτήρια χαμηλού ποσοστού G+C: Οξυγαλακτικά βακτήρια και συγγενείς τους Σημαντικά γένη: Staphylococcus, Micrococcus, Streptococcus, Lactobacillus To Micrococcus στην πραγματικότητα ανήκει στα υψηλού ποσοστού G+C Gram (+) βακτήρια, αλλά μοιάζει μορφολογικά με το γένος Staphylococcus. Το Micrococcus είναι υποχρεωτικά αερόβιο και παράγει οξύ από γλυκόζη μόνο υπό αερόβιες συνθήκες. 1

2 Το Staphylococcus είναι προαιρετικά αερόβιο και παράγει οξύ από γλυκόζη τόσο αερόβια όσο και αναερόβια. Και τα δύο παραπάνω γένη είναι θετικά στην καταλάση. Μπορούν να αναπτύσσονται σε υψηλές συγκεντρώσεις αλάτων (θρεπτικό μέσο με 7.5% NaCl χρησιμοποιείται για την απομόνωσή τους). Οι σταφυλόκοκκοι είναι συνήθη παράσιτα του ανθρώπου και άλλων θηλαστικών και περιστασιακά παθογόνα. Τα είδη του γένους Sarcina είναι υποχρεωτικώς αναερόβια, εξαιρετικά ανθεκτικά σε όξινο περιβάλλον (αναπτύσσονται μέχρι και σε ph: 2). Απομονώνονται από το χώμα, τη λάσπη, τα κόπρανα, και τα περιεχόμενα του στομάχου. Τα οξυγαλακτικά βακτήρια είναι Gram (+) βάκιλλοι και κόκκοι, χωρίς ικανότητα μετακίνησης, οι οποίοι παράγουν γαλακτικό οξύ ως κύριο ή μοναδικό προϊόν ζύμωσης. Είναι προαιρετικά αναερόβιοι και αρνητικά ως προς την καταλάση. Η απουσία της καταλάσης αποδεικνύεται εύκολα με τον μη σχηματισμό Ο 2. Τα γαλακτικά βακτήρια είναι σχεδόν τα μόνο καταλάση (-) μεταξύ αυτών που μπορούν να αναπτυχθούν σε αέρα. 2

3 Τα γαλακτικά βακτήρια δεν μπορούν να συνθέσουν αίμη και επομένως δεν έχουν συστήματα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η αδυναμία τους αυτή είναι αποτέλεσμα περιορισμένης βιοσυνθετικής ικανότητας. Για την ανάπτυξή τους απαιτούν πλήθος αυξητικών παραγόντων (βιταμίνες Β και πλήθος αμινοξέων). A B Γ Δ Σχ.128. Γαλακτικά βακτήρια. Α: Streptococcus lactis, B: Lactobacillus acidophilus, Γ: Lactobacillus brevis, Δ: Lactobacillus delbrueckii. 3

4 Αναπτύσσονται συνήθως σε θρεπτικά υποστρώματα που περιέχουν εκχυλίσματα ζύμης ή προϊόντα πέψης φυτικών ή ζωικών ιστών. Από βιοχημικής άποψης, τα γαλακτικά βακτήρια διακρίνονται σε δύο ομάδες: 1. Στα ομοζυμωτικά, τα οποία μετατρέπουν τη γλυκόζη αποκλειστικά σε γαλακτικό οξύ, και 2. Στα ετεροζυμωτικά, τα οποία μετατρέπουν τη γλυκόζη σε γαλακτικό οξύ, αιθανόλη και CO 2. Τα ετεροζυμωτικά αναγνωρίζονται από την παραγωγή CO 2 στην καλλιέργεια. Η διαφορά μεταξύ ομοζυμωτικών και ετεροζυμωτικών βακτηρίων οφείλεται στο γεγονός ότι στα ετεροζυμωτικά απουσιάζει η αλδολάση από την γλυκόλυση. Διάφορα μέλη των γενών Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus, Leuconostoc, και Pediococcus έχουν παρεμφερείς αναλογίες βάσεων DNA, και υπάρχει πολύ μικρή ποικιλομορφία ανάμεσα στα διάφορα στελέχη. Αντίθετα, στα μέλη του γένους Lactobacillus υπάρχουν μεγάλες διαφορές ως προς τη σύνθεση του DNA (ανομοιογενές σύνολο). 4

5 Ορισμένα μέλη του γένους Streptococcus είναι παθογόνα του ανθρώπου και των ζώων. Για να διαχωρίζονται οι στρεπτόκοκκοι που δεν είναι εν γένει παθογόνοι από τους παθογόνους του ανθρώπου, έχουν αναγνωρισθεί 3 είδη: 1. Στρεπτόκοκκοι (Streptococcus), 2. Λακτόκοκκοι (Lactococcus), και 3. Εντερόκοκκοι (Enterococcus). Σχ.129. Διάκριση μεταξύ ομοζυμωτικών και ετεροζυμωτικών βακτηρίων μέσω παραγωγής CO 2. 5

6 Σχ.130. Ομοζυμωτική ζύμωση. 6

7 Σχ.131. Ετεροζυμωτική ζύμωση. 7

8 Τα γαλακτικά βακτήρια συναντώνται: 1. Στο γάλα και σε προϊόντα γάλακτος, όπου εισχωρούν από την αγελάδα, 2. Σε διάφορα φυτά, όπου αναπτύσσονται με την κατανάλωση θρεπτικών συστατικών που ελευθερώνονται μετά τον θάνατο των φυτών και την αποσύνθεση των ιστών τους, και 3. Αποτελούν μέρος της κανονικής χλωρίδας του οργανισμού των ζώων (απαντώνται στον ρινοφάρυγγα, στην πεπτική κοιλότητα, στο έντερο, κλπ). Πίνακας 1. Διάφορα οξυγαλακτικά βακτήρια. Γένος Streptococcus Leuconostoc Pediococcus Lactobacillus Enterococcus Lactococcus Σχήμα και διάταξη κυττάρων Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε τετράδες (1) Ραβδόμορφα, συνήθως σε αλυσίδες (2) Ραβδόμορφα, συνήθως σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Κόκκοι σε αλυσίδες Ζύμωση Ομοζυμωτικό Ετεροζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ετεροζυμωτικό Ομοζυμωτικό Ομοζυμωτικό 8

9 Οι γαλακτοβάκιλλοι (Lactobacillus) είναι τυπικά ραβδόμορφα βακτήρια. Τα περισσότερα είδη είναι ομοζυμωτικά, υπάρχουν όμως και ετεροζυμωτικά. Είναι συνήθως ανθεκτικότεροι σε όξινα περιβάλλοντα από τα άλλα οξυγαλακτικά βακτήρια (αναπτύσσονται σε τιμές ph έως και 4). Χρησιμοποιούνται στην παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων και είναι σπάνια, έως καθόλου παθογόνοι. Τα μέλη του γένους Listeria είναι Gram (+) κοκκοβάκιλλοι. Συγγενεύουν φυλογενετικά με είδη Lactobacillus. Απαιτούν μικροαερόβιες έως αερόβιες συνθήκες ανάπτυξης. Είναι θετικά στην καταλάση. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι είναι το είδος L. monocytogenes. Είναι παθογόνοι και προκαλούν τροφική δηλητηρίαση. Συναντώνται σε έτοιμα προς βρώση τρόφιμα, κυρίως γαλακτοκομικά προϊόντα. 9

10 Ενδοσποριακά Gram (+) βακτήρια χαμηλού G+C: Bacillus, Clostridium, και συγγενικά γένη Σημαντικά γένη: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina, Heliobacterium Τα γένη που σχηματίζουν ενδοσπόρια διακρίνονται βάσει της μορφολογίας του κυττάρου, του σχήματος, της θέσης του ενδοσπορίου στο κύτταρο, της σχέσης με το Ο 2, και του ενεργειακού μεταβολισμού. Παρά την ύπαρξη σημαντικής γενετικής ετερογένειας μεταξύ των ενδοσποριογονικών βακτηρίων (οι αναλογίες G+C των διαφόρων ειδών Bacillus ποικίλλουν σε ποσοστό 40%), όλα τα ενδοσποριογόνα βακτήρια σχετίζονται από πλευράς οικολογίας, καθώς απαντούν κυρίως στο έδαφος. Η δυνατότητα σχηματισμού ενδοσπορίων προσδίδει πλεονέκτημα στην επιβίωσή τους στις αντίξοες συνθήκες του περιβάλλοντος. Πολλοί βάκιλλοι (μέλη του Bacillus) παράγουν εξωκυτταρικά υδρολυτικά ένζυμα που διασπούν σύνθετα πολυμερή (πολυσακχαρίτες, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια), ενώ πολλά είδη παράγουν αντιβιοτικά (βακιτρακίνη, κιτρουλίνη, κλπ). Αρκετά είδη (B. popilliae, B. thuringiensis) παράγουν τοξικές ενώσεις εντόμων (βιολογικά εντομοκτόνα). 10

11 Και τα 2 παθογόνα των εντόμων παράγουν κατά τη διάρκεια της σπορίωσης μια κρυσταλλική πρωτεΐνη (παρασποριακό σώμα) που αποτίθεται στο εσωτερικό του σποριαγγείου, αλλά έξω από το σπόριο. Στην περίπτωση του B. thuringiensis, η κρυσταλλική πρωτεΐνη (τοξίνη Bt) είναι μια προτοξίνη, η οποία μετατρέπεται σε τοξίνη μέσω πρωτεολυτικής διάσπασης στο πεπτικό σύστημα της νύμφης. Η τοξίνη προσφύεται στα εντερικά επιθηλιακά κύτταρα και επάγει τον σχηματισμό πόρων, με αποτέλεσμα τη λύση των κυττάρων του εντέρου. Τα μέλη του Βacillus είναι υποχρεωτικώς ή προαιρετικώς αερόβια. Σχ.132. Σχηματισμός τοξικού παρασποριακού κρυστάλλου στο Bacillus thuringiensis. 11

12 Tα είδη του γένους Clostridium δεν διαθέτουν σύστημα κυτοχρωμάτων και μηχανισμό οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Αρκετά είδη του γένους Clostridium εκτελούν ζύμωση σακχάρων παράγοντας βουτυρικό οξύ ως κύριο τελικό προϊόν (ορισμένα είδη παράγουν επίσης ακετόνη και βουτανόλη). Οι αναλογίες των διάφορων προϊόντων επηρεάζονται από τη διάρκεια και τις συνθήκες της ζύμωσης. Στα αρχικά στάδια, τα κύρια προιόντα είναι βουτυρικό και οξικό οξύ (παραγωγή ΑΤΡ), αλλά καθώς μειώνεται το ph του θρεπτικού μέσου αναστέλλεται η σύνθεση οξέων και αρχίζει η συσσώρευση των ουδέτερων προϊόντων (ακετόνης και βουτανόλης σε αναλογία 1:1). Εάν το ph του θρεπτικού μέσου διατηρηθεί σταθερό (με προσθήκη CaCO 3 ), σχηματίζονται ελάχιστες ποσότητες ουδέτερων προϊόντων, ενώ τα κύρια προϊόντα της ζύμωσης είναι βουτυρικό και οξικό σε αναλογία 3:1. Ορισμένα είδη του τύπου ακετόνης-βουτανόλης δεσμεύουν Ν 2, ενώ μια ομάδα Clostridium διασπά την κυτταρίνη προς οξέα και αλκοόλες. 12

13 Σχ.133. Σχηματισμός προϊόντων ζύμωσης από ορισμένα είδη Clostridium. 13

14 Μια άλλη ομάδα Clostridium προσλαμβάνει ενέργεια από τη ζύμωση αμινοξέων. Ορισμένα είδη εκτελούν ζύμωση συγκεκριμένων αμινοξέων, ενώ άλλα μόνο ζευγών αμινοξέων. Στην περίπτωση ζύμωσης ζευγών αμινοξέων, το ένα λειτουργεί ως δότης και το άλλο ως δέκτης ηλεκτρονίων (αντίδραση Stickland). Στην περίπτωση του Clostridium sporogenes, η αλανίνη λειτουργεί ως δότης και η γλυκίνη ως δέκτης ηλεκτρονίων. Tα αμινοξέα που μπορούν να υποστούν μεμονωμένα ζύμωση είναι η αλανίνη, η κυστεΐνη, το γλουταμινικό οξύ, η γλυκίνη, η σερίνη, η ιστιδίνη, και η τρυπτοφάνη, ενώ τα προϊόντα είναι εν γένει οξικό οξύ, βουτυρικό οξύ, CO 2 και Η 2. Πολλά από τα προϊόντα ζύμωσης των αμινοξέων είναι δύσοσμες ουσίες. Κύριο ενδιαίτημα των Clostridium είναι το έδαφος (κυρίως ανοξικοί θύλακες στους οποίους βρίσκονται προαιρετικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί που καθιστούν ανοξικό το περιβάλλον). Πολλά μέλη του Clostridium είναι παθoγόνα για τον άνθρωπο (το Clostridium botulinum προκαλεί την ασθένεια της αλαντίασης, το Clostridium tetani προκαλεί τέτανο και το Clostridium perfringens προκαλεί γάγραινα). 14

15 Σχ.134. Αντίδραση Stickland. 15

16 To γένος Sporosarcina είναι μοναδικό μεταξύ των ενδοσποριογονικών βακτηρίων γιατί τα κύτταρά του είναι κόκκοι και όχι ραβδόμορφα. Αποτελείται από αυστηρά αερόβια σφαιρικά έως ωοειδή κύτταρα σχηματίζοντας τετράδες ή κύβους από 8 ή περισσότερα κύτταρα. Το S. ureae αποικοδομεί την ουρία προς CO 2 και ΝΗ 3, αυξάνοντας το ph. Είναι κοινό στο έδαφος. Τα ηλιοβακτήρια είναι ανοξικά φωτοτροφικά, υποχρεωτικά αναερόβια, χαμηλού ποσοστού G+C Gram (+) βακτήρια, που παράγουν μια μοναδική, από άποψη δομής, βακτηριοχλωροφύλλη. Μπορούν να αναπτυχθούν και χημειοτροφικά στο σκοτάδι με ζύμωση του πυροσταφυλικού οξέος. Gram (+) χαμηλού ποσοστού G+C βακτήρια, χωρίς κυτταρικό τοίχωμα: Μυκοπλάσματα Σημαντικά γένη: Mycoplasma, Spiroplasma Δεν έχουν κυτταρικό τοίχωμα, ούτε σταθερή μορφολογία. Αν και δεν αντιδρούν θετικά στη χρώση Gram, αφού δεν διαθέτουν κυτταρικό τοίχωμα, έχουν σαφή φυλογενετική συγγένεια με τα Gram (+) βακτήρια χαμηλού ποσοστού G+C. 16

17 Έχουν εξαιρετικά μικρό γονιδίωμα. Ο ενεργειακός μεταβολισμός των μυκοπλασμάτων ποικίλλει σημαντικά, αφού άλλα είναι αερόβια, άλλα προαιρετικά και άλλα υποχρεωτικά αναερόβια. Τα μυκοπλάσματα μοιάζουν με τους πρωτοπλάστες ως προς την απουσία κυτταρικού τοιχώματος, είναι όμως ανθεκτικότερα στην ωσμωτική λύση, επιβιώνοντας σε συνθήκες στις οποίες οι πρωτοπλάστες λύονται. Η αντοχή στην ωσμωτική λύση καθορίζεται εν μέρει από την παρουσία στερολών στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, καθιστώντας την σταθερότερη από εκείνη άλλων προκαρυωτών. Ορισμένα μυκοπλάσματα χρειάζονται στερόλες στα θρεπτικά μέσα ανάπτυξής τους. Εκτός από τις στερόλες, πολλά μυκοπλάσματα περιέχουν λιπογλυκάνες (ετεροπολυσακχαρίτες συνδεδεμένοι μέσω ομοιοπολικών δεσμών με μεμβρανικά λιπίδια). Οι λιπογλυκάνες βρίσκονται ενσωματωμένες στην κυτταροπλασματική μεμβράνη και μοιάζουν με τους λιπολυσακχαρίτες (LPS), με εξαίρεση την απουσία του λιπιδίου Α. Οι λιπογλυκάνες σταθεροποιούν την μεμβράνη και διευκολύνουν την πρόσφυση των μυκοπλασμάτων σε υποδοχείς επιφάνειας ζωικών κυττάρων. 17

18 Στο άγαρ αναπτύσσονται βυθισμένα στο θρεπτικό μέσο και σχηματίζουν τη χαρακτηριστική εμφάνιση «τηγανιτού αυγού». Το γένος Spiroplasma αποτελείται από ελικοειδή ή σπειροειδή κύτταρα, που κινούνται με περιστροφικές κινήσεις (όπως μια βίδα), αν και στερούνται κυτταρικού τοιχώματος και μαστιγίων. Πιστεύεται ότι εσωτερικά ινίδια παίζουν ρόλο στην αυτόνομη κίνηση. Σχ.135. Τυπική εμφάνιση «τηγανιτού αυγού» αποικιών μυκοπλάσματος σε άγαρ. 18

19 Gram (+) βακτήρια υψηλού ποσοστού G+C: Κορυνόμορφα και βακτήρια προπιονικού οξέος Σημαντικά γένη: Corynebacterium, Arthrobacter, Propionibacterium Κορυνοβακτήρια Είναι αερόβιοι, μη αυτοκινούμενοι ραβδόμορφοι μικροοργανισμοί που σχηματίζουν χαρακτηριστικά κύτταρα ακανόνιστου σχήματος, ροπαλοφόρα, ή ομάδες κυττάρων σε διάταξη V. Οι ομάδες κυττάρων σε διάταξη V δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της αμοιβαίας απομάκρυνσης των θυγατρικών κυττάρων μετά την κυτταρική διαίρεση λόγω θραύσης του τοιχώματος (θραυστική διαίρεση). Σχ.136. Θραυστική διαίρεση σε Arthrobacter crystallopoietes. 19

20 Η θραυστική διαίρεση συμβαίνει επειδή το κυτταρικό τοίχωμα αποτελείται από δύο στοιβάδες. Μόνο η εσωτερική στοιβάδα συμμετέχει στον σχηματισμό εγκάρσιου τοιχώματος, οπότε τα θυγατρικά κύτταρα παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους από την εξωτερική στοιβάδα του τοιχώματος. Περιλαμβάνουν πολλούς παθογόνους των ζώων και του ανθρώπου (π.χ. το Corynebacterium diphtheriae είναι ο αιτιολογικός παράγοντας της διφθερίτιδας). Το γένος Arthrobacter, που απαντά συνήθως στο έδαφος, διακρίνεται από το Corynebacterium βάσει του βιολογικού κύκλου του, ο οποίος περιλαμβάνει τον μετασχηματισμό ραβδόμορφων βακτηρίων σε σφαιρικά και κατόπιν σε ραβδόμορφα. Ο διαχωρισμός, όμως, των δύο γενών βάσει του βιολογικού κύκλου δεν είναι απόλυτος, καθώς ορισμένα κορυνοβακτήρια σχηματίζουν κοκκοειδή στοιχεία κατά την ανάπτυξή τους. Το γένος Arthrobacter εμφανίζει αξιοσημείωτη αντοχή στην ξήρανση και στην απουσία τροφής, αν και δεν σχηματίζει σπόρια ή ληθαργικά κύτταρα. Έχουν απομονωθεί στελέχη που αποικοδομούν ζιζανιοκτόνα, καφεΐνη, νικοτίνη, φαινόλες, κλπ. 20

21 Σχ.137. Στάδια βιολογικού κύκλου Arthrobacter globiformis. Βακτήρια του προπιονικού οξέος (Propionibacterium) Ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στο Ελβετικό τυρί Emmental. Eίναι αναερόβια έως αερονεκτικά. Το προπιονικό οξύ είναι υπεύθυνο εν μέρει τουλάχιστον για την χαρακτηριστική γεύση του συγκεκριμένου τυριού. Αν και το προπιονικό οξύ παράγεται και από ορισμένα άλλα βακτήρια, η παραγωγή του αποτελεί χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου γένους. Εκτελούν ζύμωση γαλακτικού οξέος, παράγοντας προπιονικό οξύ, οξικό οξύ και CO 2. Η αναερόβια ζύμωση του γαλακτικού οξέος προς προπιονικό παρουσιάζει ενδιαφέρον, καθώς το γαλακτικό οξύ είναι το τελικό προϊόν ζύμωσης των γαλακτικών βακτηρίων. 21

22 Σχ.138. Σχηματισμός προπιονικού οξέος από προπιονικά βακτήρια. 22

23 Gram (+) βακτήρια υψηλού ποσοστού G+C: Mycobacterium Αποτελείται από ραβδόμορφους μικροοργανισμούς, οι οποίοι σε κάποιο στάδιο του βιολογικού τους κύκλου αποκτούν μια ιδιότητα που ονομάζεται οξεαντοχή (χρώση Ziehl-Neelsen). Η οξεαντοχή οφείλεται στην παρουσία στην επιφάνεια του κυττάρου ιδιαίτερων λιπιδικών συστατικών (μυκολικά οξέα). Για τη χρώση αυτή χρησιμοποιείται μίγμα φαινόλης και χρωστικής (βασική φουξίνη) και τα κύτταρα βάφονται κόκκινα. Η χρωστική εισέρχεται στα κύτταρα με αργή, μέχρις εξατμίσεως, θέρμανση του επιχρισμένου σε αντικειμενοφόρο πλάκα εναιωρήματος κυττάρων για 2-3min. Ρόλος της φαινόλης είναι η ενισχυμένη διείσδυση της φουξίνης στα λιπίδια. Μετά τη χρώση, ακολουθεί αποχρωματισμός με όξινη αλκοόλη. Τα μέλη του γένους Mycobacterium δεν αποχρωματίζονται (κόκκινα), ενώ τα υπόλοιπα βακτήρια αποχρωματίζονται και βάφονται στη συνέχεια κυανά, καθώς ακολουθεί χρώση με κυανό του μεθυλενίου. Η διαφορά οφείλεται στην παρουσία ιδιαίτερων λιπιδικών συστατικών (μυκολικών οξέων) στην επιφάνεια των κυττάρων των μυκοβακτηρίων. 23

24 Η βασική φουξίνη συνδέεται με το μυκολικό οξύ μέσω ιοντικών δεσμών μεταξύ COO - και ΝΗ 2+. Τα μυκοβακτήρια δεν χρωματίζονται καλά με τη μέθοδο Gram, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας της επιφάνειάς τους σε λιπίδια. Αν το λιπιδικό τμήμα του κυττάρου αφαιρεθεί με αλκαλική αιθανόλη, το εναπομένον ακέραιο κύτταρο δεν είναι οξεάντοχο, αλλά Gram (+). A Β Σχ.139. Α: Μυκολικό οξύ. Β: Βασική φουξίνη. 24

25 Τα μυκοβακτήρια είναι υποχρεωτικώς αερόβια και υπάρχει πιθανότητα να αναπτυχθούν με διακλαδώσεις ή νηματοειδώς. Τα νημάτιά τους κατακερματίζονται με την παραμικρή διαταραχή, σε αντίθεση με τα νημάτια των ακτινομυκήτων. Γενικά, χωρίζονται σε 2 ομάδες: 1. Στα βραδέως αναπτυσσόμενα, και 2. Στα ταχέως αναπτυσσόμενα. Όταν αναπτύσσονται σε στερεές επιφάνειες σχηματίζουν συνεκτικές, «συμπαγείς» αποικίες, στις οποίες τα κύτταρα συσσωρεύονται, παρά επεκτείνονται στην επιφάνεια του άγαρ. Σχ.140. Χαρακτηριστική μορφολογία αποικίας Mycobacterium tuberculosis. 25

26 Ο σχηματισμός αυτός οφείλεται μάλλον στην υψηλή περιεκτικότητα σε λιπίδια και στην υδρόφοβη φύση της επιφάνειας των κυττάρων. Το Mycobacterium tuberculosis είναι ο αιτιολογικός παράγοντας της φυματίωσης και είναι ανθεκτικό σε χημικούς παράγοντες, όπως τα αλκάλια και οι φαινόλες για αρκετό χρονικό διάστημα. Χαρακτηριστικό πολλών μυκοβακτηρίων είναι ο σχηματισμός κίτρινων καροτενοειδών χρωστικών και βάσει της παραγωγής τους κατατάσσονται σε 3 ομάδες: 1. Στελέχη χωρίς χρωστικές (περιλαμβάνει το Mycobacterium tuberculosis), 2. Στελέχη που σχηματίζουν χρωστική μόνο παρουσία φωτός (φωτοχρωμογένεση), και 3. Στελέχη που σχηματίζουν χρωστική ακόμα και όταν καλλιεργούνται στο σκοτάδι (σκοτοχρωμογένεση). Η φωτοεπαγωγή σχηματισμού καροτενοειδών χρωστικών γίνεται από μικρού μήκους κύματος (κυανό) φως μόνο παρουσία Ο 2. Τα καροτενοειδή προστατεύουν μάλλον τα μυκοβακτήρια από οξειδωτικές βλάβες προκαλούμενες από μονήρες οξυγόνο. 26

27 Η σχοινοειδής ανάπτυξη του Mycobacterium tuberculosis οφείλεται στην ύπαρξη ενός χαρακτηριστικού λιπιδίου πάνω στην κυτταρική επιφάνεια (σχοινοειδής παράγοντας), ο οποίος είναι γλυκολιπίδιο. Σχ.141. Δομή σχοινοειδούς παράγοντα του Mycobacterium tuberculosis: 6,6 διμυκολοτρεχαλόζη. 27

28 Νηματοειδή Gram (+) υψηλού ποσοστού G+C: Streptomyces και άλλοι ακτινομύκητες. Σημαντικά γένη: Streptomyces Οι ακτινομύκητες είναι μια μεγάλη ομάδα νηματοειδών βακτηρίων που σχηματίζουν περιπλεγμένο δίκτυο νηματίων (μυκήλιο), ανάλογο με το μυκήλιο των νηματοειδών μυκήτων. Οι περισσότεροι ακτινομύκητες σχηματίζουν σπόρια και ο τρόπος σχηματισμού σπορίων από το μυκήλιο έχει τόσο φυλογενετική, όσο και ταξινομική σημασία. Το γένος Streptomyces περιλαμβάνει πολλά είδη (πάνω από 500). Τα νημάτια των Streptomyces έχουν απροσδιόριστο σχήμα και δεν διαθέτουν εγκάρσια τοιχώματα στη βλαστική μορφή. Η ανάπτυξη γίνεται από το άκρο του νήματος και συχνά συνοδεύεται από διακλαδώσεις. Καθώς η αποικία γηράσκει, σχηματίζονται χαρακτηριστικά εναέρια νημάτια (σποριοφόρα), τα οποία προεκτείνονται πάνω από την επιφάνεια της αποικίας και δίνουν γένεση σε σπόρια. 28

29 Τα σπόρια των Streptomyces (κονίδια) δεν έχουν καμία σχέση με τα ενδοσπόρια των Bacillus και Clostridium, καθώς τα σπόρια των στρεπτομυκήτων παράγονται με τον απλό σχηματισμό εγκάρσιων τοιχωμάτων στα πολυπυρηνικά σποριοφόρα. Τα σπόρια των ακτινομυκήτων δεν είναι περισσότερο ανθεκτικά στην θερμότητα από τις βλαστικές μορφές, αν και ορισμένα από αυτά είναι ανθεκτικά στην ξηρασία. Σχ.142. Στάδια παραγωγής σπορίων στα αερομυκήλια. 29

30 Σχ.143. Διάφοροι τύποι δομών που φέρουν σπόρια στους στρεπτομήκυτες. 30

31 Τα κονίδια και τα σποριοφόρα συχνά έχουν χρωστικές, οι οποίες προσδίδουν στην ώριμη αποικία χαρακτηριστικό χρώμα. Τα σπόρια μάλλον διευκολύνουν την αναπαραγωγή εξαιτίας της ευκολίας με την οποία διασπείρονται στο περιβάλλον. Αν και ορισμένοι στρεπτομύκητες απαντούν σε υδατικά ενδιαιτήματα, οι περισσότεροι είναι μικροοργανισμοί του εδάφους. Η χαρακτηριστική «χωμάτινη» οσμή του εδάφους οφείλεται στην παραγωγή σειράς μεταβολιτών των στρεπτομυκήτων (γεωσμίνες), οι οποίες είναι τερπενοειδή C15. Τα αλκαλικά και ουδέτερα εδάφη είναι καταλληλότερα για την ανάπτυξη των στρεπτομυκήτων απ ότι τα όξινα. Οι στρεπτομύκητες έχουν αρκετά μεγάλη διατροφική ευελιξία, ενώ μπορούν να χρησιμοποιήσουν ευρύτατη ποικιλία σακχάρων, αλκοολών, οργανικών οξέων, αμινοξέων και αρωματικών ενώσεων. Πολλά στελέχη παράγουν εξωκυτταρικά υδρολυτικά ένζυμα, τα οποία τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούν πολυσακχαρίτες (άμυλο, κυτταρίνη, ημικυτταρίνη), πρωτεΐνες, λιπαρές ενώσεις, υδρογονάνθρακες, λιγνίνη, κλπ). Η πλέον ενδιαφέρουσα ιδιότητα των στρεπτομυκήτων είναι η παραγωγή αντιβιοτικών. 31

32 Ορισμένοι οργανισμοί παράγουν περισσότερα του ενός αντιβιοτικά, ενώ το ίδιο αντιβιοτικό μπορεί να παράγεται από διαφορετικά είδη που βρίσκονται σε διαφορετικές και πολύ απομακρυσμένες περιοχές του πλανήτη. Αν και ένας οργανισμός που παράγει αντιβιοτικά είναι ανθεκτικός στα δικά του αντιβιοτικά, παραμένει συνήθως ευαίσθητος στα αντιβιοτικά που παράγονται από άλλους στρεπτομύκητες. Η παραγωγή αντιβιοτικών, που σχετίζεται με τη σπορίωση (διαδικασία που προκαλείται από την έλλειψη θρεπτικών στοιχείων), ίσως είναι ένας μηχανισμός αναστολής της ανάπτυξης άλλων μικροοργανισμών που ανταγωνίζονται τα κύτταρα των Streptomyces για τα λιγοστά διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά. Φύλο 3. Κυανοβακτήρια και προχλωρόφυτα Κυανοβακτήρια Είναι μια μεγάλη και μορφολογικά ετερογενής ομάδα φωτοτροφικών βακτηρίων. Διαφέρουν ριζικά από τα πορφυρά και τα πράσινα ανοξυφωτότροφα, κυρίως ως προς το ότι είναι οξυγονοπαραγωγικά φωτότροφα. Η μορφολογική ποικιλομορφία των κυανοβακτηρίων είναι εντυπωσιακή. Υπάρχουν μονοκύτταρες, αλλά και νηματοειδείς μορφές. 32

33 Υποδιαιρούνται σε 5 μορφολογικούς τύπους: 1. Μονοκύτταρα που διαιρούνται με απλή διχοτόμηση, 2. Μονοκύτταρα που διαιρούνται με πολλαπλή διχοτόμηση, 3. Νηματοειδή με διαφοροποιημένα κύτταρα γνωστά ως ετεροκύστεις, 4. Νηματοειδείς μορφές χωρίς ετεροκύστεις, και 5. Νηματοειδείς μορφές με διακλαδώσεις. Η δομή του κυτταρικού τοιχώματος ορισμένων κυανοβακτηρίων είναι παρόμοια με εκείνη των Gram (-) βακτηρίων. Έχουν μόνο χλωροφύλλη α, αλλά και χαρακτηριστικές χολοπρωτεΐνες (φυκοχολεΐνες), που λειτουργούν ως επικουρικές χρωστικές στη φωτοσύνθεση. Μια κατηγορία φυκοχολεϊνών, οι φυκοκυανίνες, είναι κυανές και μαζί με την πράσινη χλωροφύλλη α ευθύνονται για το κυανοπράσινο χρώμα αυτών των βακτηρίων. Σε πολλά κυανοβακτήρια υπάρχουν αεροκυστίδια, ο ρόλος των οποίων είναι η ρύθμιση της άνωσης, έτσι ώστε τα κύτταρα να μένουν σε θέση όπου η ένταση του φωτός είναι άριστη για φωτοσύνθεση. 33

34 Άλλα νηματοειδή κυανοβακτήρια παράγουν ετεροκύστεις (σφαιρικά κύτταρα που μοιάζουν με άδεια), τα οποία είναι κατανεμημένα σε τακτικά διαστήματα κατά μήκος των νηματίων ή στο ένα άκρο τους. Οι ετεροκύστεις προκύπτουν από τη διαφοροποίηση βλαστικών κυττάρων και παίζουν ρόλο στην καθήλωση του αζώτου (αναγωγή του Ν 2 σε ΝΗ 3 ). Οι ετεροκύστεις έχουν διακυτταρικές συνδέσεις με γειτονικά βλαστικά κύτταρα και μεταξύ τους λαμβάνει χώρα αμοιβαία ανταλλαγή υλικών, έτσι ώστε να διοχετεύονται προϊόντα της φωτοσύνθεσης προς τις ετεροκύστεις και προϊόντα της δέσμευσης του Ν 2 από τις ετεροκύστεις στα βλαστικά κύτταρα. Οι ετεροκύστεις διατηρούν το φωτοσύστημα I, έχουν χάσει όμως το φωτοσύστημα ΙΙ, οπότε δεν παράγουν με φως Ο 2, ούτε όμως αφομοιώνουν CO 2. Οι ετεροκύστεις περιβάλλονται από ένα παχύ κυτταρικό τοίχωμα, που περιέχει μεγάλες ποσότητες γλυκολιπιδίων, τα οποία βοηθούν στη μείωση της διάχυσης Ο 2 μέσα στο κύτταρο. Καθώς η αζωτάση είναι ευαίσθητη στο Ο 2, οι ετεροκύστεις διατηρώντας ένα ανοξικό περιβάλλον, σταθεροποιούν το σύστημα δέσμευσης του αζώτου σε οργανισμούς που δεν είναι απλώς αερόβιοι, αλλά και παραγωγοί οξυγόνου. 34

35 Σχ.144. Μοντέλο λειτουργίας ετεροκύστης. Τα κυανοπράσινα βακτήρια που φυσιολογικά παράγουν ετεροκύστεις, όταν αναπτύσσονται φωτοσυνθετικά παρουσία αμμωνίας ή νιτρικών αλάτων, σπάνια τις δημιουργούν. Μόλις η καλλιέργεια στερείται πηγές αζώτου, παρατηρείται σύνθεση του ενζύμου για την καθήλωση του αζώτου (αζωτάση). 35

36 Πολλά κυανοβακτήρια περιέχουν κυανοφυκίνη (συμπολυμερές ασπαρτικού και αργινίνης), η οποία μπορεί να αποτελέσει μέχρι και το 10% της κυτταρικής μάζας. Σχ.145. Δομή κυανοφυκίνης. Η κυανοφυκίνη είναι προϊόν αποθήκευσης αζώτου και ενέργειας και όταν το άζωτο στο περιβάλλον μειωθεί, η κυανοφυκίνη διασπάται και χρησιμοποιείται. Η αργινίνη της κυανοφυκίνης μπορεί επίσης να υδρολυθεί και να δώσει ορνιθίνη με ταυτόχρονη παραγωγή ΑΤΡ: 36

37 Αργινίνη + ADP + P i + H 2 O Ορνιθίνη + 2ΝΗ 3 + CO 2 + ATP (35) Πολλά κυανοβακτήρια εκδηλώνουν κίνηση ολίσθησης, καθώς δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ περιστρεφόμενα μαστίγια. Η ολίσθηση εκδηλώνεται μόνο όταν το κύτταρο ή το νημάτιο βρίσκεται σε επαφή με στερεή επιφάνεια, ή με άλλο κύτταρο ή νημάτιο. Κάποια είδη παράγουν υπνοσπόρια (ακινέτες) που προστατεύουν τον οργανισμό κατά τη διάρκεια περιόδων σκότους, ξηρασίας, ή ψύξης. Ωστόσο, ακόμη και τα βλαστικά κύτταρα πολλών κυανοβακτηρίων είναι σχετικά ανθεκτικά στην ξηρασία και στις χαμηλές θερμοκρασίες. Τα κυανοβακτήρια υπάρχουν παντού στη φύση, σε χερσαία, θαλάσσια και γλυκού νερού ενδιαιτήματα. Πολλά κυανοβακτήρια είναι υπεύθυνα για την ανάπτυξη δυσάρεστης οσμής και την αλλοίωση της γεύσης του γλυκού νερού (η κύρια ένωση που παράγεται είναι γεωσμίνη). 37

38 Προχλωρόφυτα και χλωροπλάστες Σημαντικά γένη: Prochloron, Prochlorothrix, Prochlorococcus Είναι οξυγονοπαραγωγικά φωτότροφα που περιέχουν χλωροφύλλη α και β, αλλά όχι φυκοχολεΐνες. Μοιάζουν με τα κυανοβακτήρια (επειδή έχουν χλωροφύλλη α), αλλά και με τα φυτά και φύκη (επειδή έχουν χλωροφύλλη β αντί για φυκοχολεΐνες). Φυλογενετικά, όμως, εμφανίζουν ιδιαίτερη συγγένεια με τα κυανοβακτήρια, συνεπώς μάλλον προέρχονται από τον ίδιο πρόγονο. Το Prochloron βρέθηκε στη φύση και είναι το πρώτο προχλωρόφυτο που ανακαλύφθηκε (βρέθηκε στη φύση ως συμβιώτης θαλάσσιων ασπονδύλων). Η καλλιέργειά του στο εργαστήριο είναι αδύνατη προς το παρόν. Έχει εκτεταμένο σύστημα θυλακοειδών μεμβρανών, όμοιο με εκείνο του χλωροπλάστη. Τα καροτενοειδή του είναι παρόμοια με εκείνα των κυανοβακτηρίων, με κυρίαρχα τo β-καροτένιο και τη ζεαξανθίνη. Το Plochlorothrix είναι νηματοειδές προχλωρόφυτο που μπορεί να αναπτυχθεί σε αμιγή καλλιέργεια. 38

39 Περιέχει χλωροφύλλες α και β, αλλά όχι φυκοχολεΐνες. Το Prochlorococcus ζει στην ευφωτική ζώνη των ανοικτών ωκεανών, περιέχει χλωροφύλλη β, ένα διαφορετικό τύπο χλωροφύλλης α, την διβινυλο-χλωροφύλλη α και καροτένιο α αντί β (χρωστική άγνωστη μέχρι τώρα στους ευκαρυώτες). Επειδή οι πλυθυσμοί του στα νερά των ωκεανών είναι μεγάλοι ( κύτταρα/ml), έχει ιδιαίτερη σημασία ως πρωτογενής παραγωγός. Πριν την ανακάλυψη των προχλωρόφυτων, ήταν γενική παραδοχή ότι ο χλωροπλάστης προήλθε από την ενδοσυμβιωτική σχέση κυανοβακτηρίων με κάποιο αρχέγονο κύτταρο. Ωστόσο, η παραπάνω εξήγηση δεν ήταν ποτέ ικανοποιητική γιατί δεν απαντούσε στο ερώτημα της ύπαρξης χλωροφύλλης β αντί φυκοχολεϊνών στους χλωροπλάστες (τα κυανοβακτήρια δεν έχουν χλωροφύλλη β). Η εναλλακτική υπόθεση που υποστηρίζει ότι οι πρόγονοι των χλωροπλαστών στα φυτά ήταν προχλωρόφυτα αντί κυανοβακτήρια, αίρει την παραπάνω επιφύλαξη. Παρόλ αυτά, από φυλογενετικές αναλύσεις, δεν διαπιστώθηκε ότι τα προχλωρόφυτα είναι άμεσοι πρόγονοι του χλωροπλάστη των φυτών. 39

40 Αντίθετα, τα προχλωρόφυτα, τα κυανοβακτήρια και οι χλωροπλάστες των φυτών έχουν όλα προφανώς ένα κοινό πρόγονο. Η υπόθεση με τις περισσότερες πιθανότητες εικάζει ότι τα κυανοβακτήρια και τα προχλωρόφυτα εξελίχθηκαν από προγόνους που περιείχαν φυκοχολεΐνες και χλωροφύλλες α και β. Τα κυανοβακτήρια εξελίχθηκαν πιθανόν χάνοντας τις συμπληρωματικές χλωροφύλλες, ενώ τα προχλωρόφυτα αποβάλλοντας τις φυκοχολεΐνες. Φύλο 4. Χλαμύδια Σημαντικά γένη: Chlamydia Είναι υποχρεωτικώς παρασιτικά βακτήρια με μικρή μεταβολική ικανότητα. Έχουν αναγνωρισθεί 3 είδη: 1. C. psittaci, που προκαλεί την ασθένεια της ψιττάκωσης (ασθένεια των πτηνών που περιστασιακά μεταδίδεται και στους ανθρώπους προκαλώντας συμπτώματα πνευμονίας), 2. C. trachomatis, αιτιολογικός παράγοντας του τραχώματος (ασθένεια που πλήττει το μάτι και μπορεί να οδηγήσει στην τύφλωση) και άλλων ασθενειών του ανθρώπου, και 40

41 3. C. pneumoniae, που προκαλεί πολλά αναπνευστικά σύνδρομα. Τα χλαμύδια έχουν κυτταρικά τοιχώματα Gram (-) τύπου και οι βιοσυνθετικές ικανότητές τους είναι πολύ πιο περιορισμένες ακόμη και από αυτές των ρικετσιών (υποχρεωτικά ενδοκυτταρικά παράσιτα). Για αρκετό χρονικό διάστημα πιστευόταν ότι τα χλαμύδια ήταν «ενεργειακά παράσιτα», που προσλάμβαναν από τον ξενιστή τους όχι μόνο βιοσυνθετικά ενδιάμεσα, αλλά και ΑΤΡ. Ωστόσο, αυτή η υπόθεση αμφισβητείται καθώς το χρωμόσωμα του C. trachomatis περιλαμβάνει αναγνωρίσιμα γονίδια για τη σύνθεση ΑΤΡ. Επιπλέον, το C. trachomatis διαθέτει γονίδια που κωδικοποιούν βιοσυνθετικές λειτουργίες πεπτιδογλυκάνης, αν και δεν έχει ανιχνευθεί πεπτιδογλυκάνη στο κυτταρικό τοίχωμα. Το C. trachomatis δεν διαθέτει γονίδια που κωδικοποιούν την πρωτεΐνη FtsZ (καθοριστικής σημασίας πρωτεΐνη για τη δημιουργία διαφραγμάτων κατά την κυτταροδιαίρεση), η οποία θεωρούνταν απαραίτητη για την ανάπτυξη όλων των προκαρυωτών και των αρχαίων. Διακρίνονται 2 κυτταρικοί τύποι σε ένα τυπικό κύκλο ζωής: 1. Ένα μικρό, συμπαγές, σχετικά ανθεκτικό στην ξηρασία κύτταρο (στοιχειόσωμα), το οποίο είναι το μέσο διασποράς, και 41

42 2. Ένα μεγαλύτερο, λιγότερο συμπαγές, διαιρούμενο με διχοτόμηση κύτταρο (δικτυόσωμα), που είναι η βλαστική μορφή. Σε αντίθεση με τις ρικέτσιες, τα χλαμύδια δεν μεταδίδονται με τα αρθρόποδα, αλλά είναι κυρίως αερομεταφερόμενοι εισβολείς του αναπνευστικού συστήματος. Σχ.146. Ο μολυσματικός κύκλος των χλαμυδίων. 42

43 Φύλο 5. Planctomyces/Pirellula Σημαντικά γένη: Planctomyces, Pirellula, Gemmata To Planctomyces είναι έμμισχο βακτήριο (όπως το Caulobacter). Σε αντίθεση όμως με το Caulobacter, ο μίσχος του αποτελείται από πρωτεΐνη και δεν έχει κυτταρικό τοίχωμα ή κυτταρόπλασμα. Ο μίσχος του Planctomyces προφανώς βοηθά στην προσκόλληση. Το Planctomyces και τα συγγενικά του γένη δεν έχουν πεπτιδογλυκάνη, αλλά τα κυτταρικά τοιχώματά τους είναι τύπου στοιβάδας S, αποτελούμενα από πρωτεΐνη πλούσια σε κυστεΐνη (υπό τη μορφή κυστίνης). Επομένως, είναι ανθεκτικοί σε αντιβιοτικά που παρεμποδίζουν τη σύνθεση πεπτδογλυκάνης (πενικιλλίνη και κεφαλοσπορίνες). Το Planctomyces, όπως και το Caulobacter, είναι εκβλαστάνον βακτήριο και στον κύκλο ζωής του, τα πλανοκύτταρα προσκολλώνται σε επιφάνεια, αναπτύσσουν μίσχο στο σημείο προσκόλλησης, και στον αντίθετο πόλο δημιουργούν με εκβλάστηση νέο κύτταρο. To θυγατρικό κύτταρο αναπτύσσει μαστίγιο, αποκολλάται από το μητρικό κύτταρο, και αρχίζει ένα νέο κύκλο ζωής. 43

44 Τα είδη του Planctomyces είναι προαιρετικώς αερόβια, χημειοργανότροφα, και αναπτύσσονται είτε με ζύμωση, είτε με καταβολισμό σακχάρων. Το ενδιαίτημα των Planctomyces είναι κυρίως υδάτινο, θαλάσσιο ή γλυκού νερού. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά των πλαγκτομυκήτων είναι η διαμερισματοποίηση των κυττάρων τους (είναι οι μόνοι μεταξύ των γνωστών προκαρυωτών που έχουν εκτεταμένη εσωτερική δομή, η οποία περιλαμβάνει πυρήνα περιβαλλόμενο από μεμβράνη). Η διαμερισματοποίηση των πλαγκτομυκήτων τείνει να καταστήσει ασαφή τη διάκριση μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών. Σχ.147. Λεπτή τομή κυττάρου Gemmata obsuriglobus. Φαίνεται το πυρηνοειδές που περιβάλλεται από πυρηνικό επενδύτη. 44

45 Φύλο 6. Κονδυλομικρόβια Σχηματίζουν κυτταροπλασματικές αποφύσεις (προσθήκες). Τα γένη Verrucomicrobium και Prosthecobacter έχουν 2 ή περισσότερες προσθήκες/κύτταρο και διαιρούνται συμμετρικά, έτσι ώστε τόσο τα μητρικά όσο και τα θυγατρικά κύτταρα να έχουν προσθήκες κατά τη στιγμή της κυτταρικής διαίρεσης, σε αντίθεση με τα κύτταρα του Caulobacter που έχουν μία και μοναδική προσθήκη και παράγουν μαστιγιοφόρα πλανοκύτταρα χωρίς προσθήκες. Τα κονδολυμικρόβια έχουν πεπτιδογλυκάνη στα κυτταρικά τους τοιχώματα και είναι από αερόβια έως προαιρετικώς αερόβια με ικανότητα ζύμωσης διαφόρων σακχάρων. Υπάρχουν παντού στη φύση, σε ενδιαιτήματα γλυκού ή θαλάσσιου νερού, στα δάση και σε καλλιέργειες. Φύλο 7. Φλαβοβακτήρια Σημαντικά γένη: Bacteroides, Flavobacterium To γένος Bacteroides περιλαμβάνει υποχρεωτικώς αναερόβια είδη που δεν παράγουν σπόρια, αλλά έχουν την ικανότητα ζύμωσης σακχάρων κυρίως προς οξικό και ηλεκτρικό οξύ. 45

46 Απαντούν συνήθως στον πεπτικό σωλήνα των ζώων και του ανθρώπου. Μερικά είδη Bacteroides είναι παθογόνα του ανθρώπου, ενώ άλλα είδη μπορούν να συνθέτουν σφιγγολιπίδια (λιπίδια που έχουν σφιγγοσίνη αντί γλυκερόλης). Σχ.148. Σύγκριση (α) Γλυκερόλης, (β) Σφιγγοσίνης. Τα είδη του Flavobacterium απαντούν κυρίως σε υδάτινα ενδιαιτήματα του γλυκού και θαλάσσιου νερού, καθώς και στα τρόφιμα και σε εργοστάσια επεξεργασίας τροφίμων. Οι αποικίες του Flavobacterium είναι συχνά κιτρινωπές. 46

47 Σπάνια είναι παθογόνα, ωστόσο το είδος F. meningosepticum έχει συνδεθεί με περιστατικά παιδικής μηνιγγίτιδας. Φύλο 8. Η ομάδα του Cytophaga Σημαντικά γένη: Cytophaga, Sporocytophaga, Flexibacter Tα μέλη της ομάδας Cytophaga είναι επιμήκεις, λεπτοί ράβδοι που κινούνται με ολίσθηση. Το συγγενικό είδος Sporocytophaga είναι μορφολογικά και φυσιολογικά παρόμοιο με το Cytophaga, αλλά τα κύτταρα σχηματίζουν σφαιρικές ληθαργικές δομές (μικροκύστεις), όμοιες με εκείνες των καρποφορούντων μυξοβακτηρίων. Πολλά είδη καταβολίζουν πολυσακχαρίτες, όπως κυτταρίνη, άγαρ και χιτίνη. Τα μέλη της ομάδας Cytophaga δεν παράγουν εξωκυτταρικές κυτταρινάσες, αλλά παραμένουν προσκολλημένες στο κυτταρικό τοίχωμα και συνεπώς πρέπει να προσκολληθούν στις ίνες κυτταρίνες για να τις διασπάσουν. Τα διάφορα είδη των γενών Cytophaga και Sporocytophaga είναι υποχρεωτικώς αερόβια. Ορισμένα είδη Cytophaga είναι παθογόνα των ψαριών (το C. colummaris προκαλεί την ασθένεια κολουμνάρις και το C. psychrophila την ασθένεια του ψυχρού νερού). 47

48 Τα μολυσμένα ψάρια φέρουν κατεστραμμένους ιστούς συχνά γύρω από τα βράγχια (πιθανώς οφείλεται σε ισχυρή πρωτεολυτική δράση των μελών Cytophaga που απομονώνονται από τέτοια ψάρια). Το γένος Flexibacter δεν εμφανίζει κυτταρινολυτική δράση. Τα κύτταρα ορισμένων ειδών υφίστανται αλλαγές όσο αφορά τη μορφολογία τους, από επιμήκη, ολισθητικά νημάτια χωρίς διακλαδώσεις, σε βραχείες, μη αυτοκινούμενες ράβδους. Πολλά είδη έχουν χρώμα που οφείλεται στην παρουσία καροτενοειδών στην κυτταρική μεμβράνη ή σε συγγενείς χρωστικές (φλεξιρουμπίνες) που βρίσκονται στην εξωτερική μεμβράνη των βακτηρίων. Φύλο 9. Πράσινα θειοβακτήρια Σημαντικά γένη: Chlorobium, Prosthecochloris, Chlorochromatium Eίναι μια ομάδα μη αυτοκινούμενων, φωτοτροφικών και υποχρωτικά αναερόβιων βακτηρίων που δεν παράγουν οξυγόνο. Όπως και τα πορφυρά θειοβακτήρια, χρησιμοποιούν Η 2 S ως ηλεκτρονιοδότη, το οποίο οξειδώνουν αρχικά προς S o και κατόπιν προς SO Σε αντίθεση με τα πορφυρά θειοβακτήρια, το θείο που παράγεται από τα πράσινα θειοβακτήρια βρίσκεται έξω από το κύτταρο. 48

49 Πάρα πολλά είδη αφομοιώνουν οργανικές ενώσεις παρουσία φωτός (φωτοετεροτροφία). Όμως, η απόλυτη αυτοτροφία δεν συντηρείται από τις αντιδράσεις του κύκλου του Calvin, αλλά από την αντίστροφη πορεία του κύκλου του κιτρικού οξέος. Σχ.149. Ο αντίστροφος κύκλος του κιτρικού οξέος. 49

50 Τα πράσινα θειοβακτήρια περιέχουν βακτηριοχλωροφύλλη α και μια από τις βακτηριοχλωροφύλλες γ, δ ή ε. Οι βακτηριοχλωροφύλλες γ, δ και ε συμμετέχουν μόνο σε φωτοσυλλεκτικές αντιδράσεις και βρίσκονται στα χλωροσώματα (επιμήκη σωμάτια συνδεδεμένα με την κυτταροπλασματική μεμβράνη). Η φωτεινή ενέργεια που απορροφάται από τις βακτηριοχωροφύλλες γ, δ ή ε στο χλωρόσωμα διοχετεύεται στη βακτηριοχλωροφύλλη α, η οποία βρίσκεται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Υπάρχουν είδη πράσινων θειοβακτηρίων με πράσινο ή καστανό χρώμα (τα καστανόχρωμα είδη περιέχουν βακτηριοχλωροφύλλη ε και καροτενοειδή). Όπως και τα πορφυρά, τα πράσινα θειοβακτήρια ζουν σε ανοξικά υδατικά ενδιαιτήματα, ιδιαίτερα εκεί που το Η 2 S αφθονεί. Καθώς το χλωρόσωμα είναι μια ιδιαίτερα αποτελεσματική φωτοσυλλεκτική δομή, απαιτείται λίγο φως για τις φωτοσυνθετικές λειτουργίες των πράσινων θειοβακτηρίων. 50

51 Σχ.150. Πράσινα και καστανά χλωρόβια: (α) Chlorobium tepidum, (β) Chlorobium phaeobacteroides. 51

52 Ορισμένα πράσινα θειοβακτήρια μπορούν να σχηματίζουν στενή διμελή σχέση με κάποιο χημειοργανοτροφικό βακτήριο, από την οποία προκύπτει και για τα 2 μέλη αμοιβαίο όφελος (μικροβιακοί συνεταιρισμοί). Το φωτοτροφικό μέλος (επιβίωτο), φαίνεται ότι έχει φυσική επαφή με το μη φωτοτροφικό μέλος, αν και ο μηχανισμός προσκόλλησης δεν είναι γνωστός. Ο μικροβιακός συνεταιρισμός C. aggregatum έχει πράσινο χρώμα, γιατί τα επιβίωτα είναι πράσινα θειοβακτήρια που περιέχουν βακτηριοχλωροφύλλη γ ή δ και πράσινα καροτενοειδή και περιστοιχίζουν ένα μη φωτοσυνθετικό κύτταρο. Ο Pelochromatium roseum είναι καστανόχρωμος μικροβιακός συνεταιρισμός. Ο λόγος και ο μηχανισμός σχηματισμού των μικροβιακών συνεταιρισμών είναι άγνωστοι. Καθώς τα επιβίωτα είναι προσαρμοσμένα σε πολύ στενό εύρος έντασης φωτός και συγκέντρωσης σουλφιδίων, ο ρόλος του κεντρικού κυττάρου πιθανόν έγκειται στο να διατηρεί τον μικροβιακό συνεταιρισμό στην κατάλληλη θέση της υδάτινης στήλης, στην οποία επικρατούν άριστες συνθήκες για φωτοσύνθεση. Φύλο 10. Σπειροχαίτες Σημαντικά γένη: Spirochaeta, Treponema, Cristispira, Leptospira, Borrelia 52

53 Οι σπειροχαίτες είναι Gram (-), αυτοκινούμενα βακτήρια, σπειροειδούς σχήματος με έντονες περιελήξεις, κατά κανόνα λεπτά και εύκαμπτα. Είναι ευρύτατα διαδεδομένες στα υδατικά ενδιαιτήματα και στα ζώα και ορισμένες είναι παθογόνα. Το κύτταρο μιας σπειροχαίτης αποτελείται από ένα «πρωτοπλασματικό κύλινδρο», ο οποίος είναι ο χώρος που περικλείουν το κυτταρικό τοίχωμα και η κυτταρική μεμβράνη. Η αυτόνομη κίνηση επιτυγχάνεται με ένα ή πολλά μαστίγια που αναπτύσσονται από κάθε πόλο. Σχ.151. Η σπειροχαίτη Spirochaeta stenostrepta. 53

54 Σε αντίθεση με τα τυπικά μαστίγια των βακτηρίων, τα μαστίγια των σπειροχαιτών αναδιπλώνονται πίσω από κάθε πόλο γύρω από τον πρωτοπλασματικό κύλινδρο και παραμένουν στο περίπλασμα του κυττάρου (ενδομαστίγια). Τόσο τα ενδομαστίγια όσο και ο πρωτοπλασματικός κύλινδρος περιβάλλονται από μια πολυστοιβαδική αλλά εύκαμπτη μεμβράνη (εξωτερικό έλυτρο). Κάθε ενδομαστίγιο σπειροχαίτης αγκιστρώνεται στο ένα άκρο και εκτείνεται στα 2/3 περίπου του μήκους του κυττάρου. Τα ενδομαστίγια περιστρέφονται άκαμπτα. Άκαμπτα είναι και ο πρωτοπλασματικός κύλινδρος, ενώ το εξωτερικό έλυτρο είναι εύκαμπτο. Σχ.152. Μηχανισμός κίνησης σπειροχαιτών. 54

55 Το κύτταρο της σπειροχαίτης κινείται με συστολές και εκτάσεις εξαιτίας της στρέψης που ασκείται στα άκρα του πρωτοπλασματικού κυλίνδρου από τα περιστρεφόμενα ενδομαστίγια. Αν και τα ενδομαστίγια των σπειροχαιτών δεν εκτείνονται σε μεγάλη απόσταση από το κύτταρο (αντίθετα βρίσκονται από τη μέσα πλευρά της εξωτερικής μεμβράνης του κυττάρου), η περιστροφική κίνηση των μαστιγίων προσδίδει κινητικότητα, αν και πιο ακανόνιστη και απότομη συγκριτικά με την ήρεμη κολύμβηση που εξασφαλίζουν τα μαστίγια άλλων προκαρυωτών. Το γένος Spirochaeta περιλαμβάνει αναερόβιες και προαιρετικά αερόβιες σπειροχαίτες, συνήθεις στα υδατικά ενδιαιτήματα (νερά και ιλύ ποταμών, μικρών και μεγάλων λιμνών, και θαλασσών). Το γένος Cristispira απαντά σε διάφορα είδη μαλακίων (μύδια και στρείδια). Το γένος Treponema περιλαμβάνει αναερόβιες σπειροχαίτες. Το T. pallidum είναι ο αιτιολογικός παράγοντας της σύφιλης. Το T. saccharophilum είναι μια μεγάλη πηκτινολυτική σπειροχαίτη που ζει στον προστόμαχο των βοοειδών (εκτελεί αναερόβια ζύμωση πηκτίνης, αμύλου, και άλλων φυτικών πολυσακχαριτών). Τα γένη Leptospira και Leptonema είναι αυστηρά αερόβιες σπειροχαίτες που χρησιμοποιούν λιπαρά οξέα μακράς αλυσίδας. 55

56 Τα τρωκτικά είναι οι φυσικοί ξενιστές των περισσότερων λεπτοσπείρων, αλλά απαντούν και σε σκυλιά και χοίρους. Στους ανθρώπους προκαλούν λεπτοσπείρωση, κατά την οποία ο παθογόνος εντοπίζεται στα νεφρά, προκαλώντας νεφρική ανεπάρκεια έως θάνατο. Τα περισσότερα είδη του γένους Borrelia είναι παθογόνα των ζώων και του ανθρώπου. Φύλο 11. Δεινόκοκκοι Σημαντικά γένη: Deinococcus, Thermus To γένος Deinococcus περιλαμβάνει Gram (+) κόκκους, αλλά περιέχουν και μια δεύτερη μεμβράνη [μοιάζουν με τα Gram (-) βακτήρια]. Ο D. radiodurans είναι αερόβιος χημειοοργανοτροφικός οργανισμός που συνήθως αναπτύσσεται σε σύνθετα θρεπτικά μέσα. Το κυτταρικό τοίχωμα του D. radiodurans είναι δομικά περίπλοκο, αποτελούμενο από αρκετές στοιβάδες και μια εξωτερική μεμβράνη [η οποία απαντά μόνο στα Gram (-) βακτήρια]. Σε αντίθεση, όμως, με την εξωτερική μεμβράνη των Gram (-) βακτηρίων, η εξωτερική μεμβράνη του D. radiodurans δεν περιέχει λιπίδιο Α. Οι περισσότεροι δεινόκοκκοι έχουν ερυθρό ή ρόδινο χρώμα, λόγω των καροτενοειδών που περιέχουν. 56

57 Πολλά στελέχη είναι ιδιαιτέρως ανθεκτικά στην υπεριώδη ακτινοβολία και στην ξηρασία. Η αντοχή στην ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί επωφελώς στην απομόνωση των δεινοκόκκων. Τα κύτταρα του D. radiodurans επιβιώνουν ύστερα από έκθεση έως και σε Gy ακτινοβολίας (ο άνθρωπος πεθαίνει ύστερα από έκθεση σε λιγότερα από 5Gy). Η ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία οφείλεται σε ισχυρούς μηχανισμούς επιδιόρθωσης του DNA (το χρωμόσωμα αποκαθίσταται ακόμα και όταν είναι «θρυμματισμένο»). Ο D. radiodurans είναι επίσης ανθεκτικό και στη μεταλλαξιγόνο δράση πολλών μεταλλαξιγόνων (περιλαμβάνει ένζυμα επιδιόρθωσης ρήξεων στο μονόκλωνο και στο δίκλωνο DNA και για την αφαίρεση και επισκευή διμερών θυμίνης). Η νιτροζογουανιδίνη όμως, η οποία επάγει ελλείμματα στο DNA (και παρόμοια χημικά μεταλλαξιγόνα), φαίνεται να έχει μεταλλαξιγόνο δράση. Το γένος Thermus περιλαμβάνει θερμόφιλα, χημειοργανοτροφικά βακτήρια, μεταξύ των οποίων και το Thermus aquaticus, απ όπου απομονώνεται η Taq DNA πολυμεράση. 57

58 Η Taq DNA πολυμεράση βρίσκει ευρεία εφαρμογή στην PCR, λόγω της θερμοσταθερότητας που εμφανίζει. Τα είδη του γένους Thermus είναι Gram (-), αερόβια που καταβολίζουν σάκχαρα, αμινοξέα, και οργανικά οξέα ή διάφορα σύνθετα μίγματα. Περιέχουν ένα σπάνιο είδος πεπτιδογλυκάνης, στο οποίο η ορνιθίνη έχει αντικαταστήσει το διαμινοπιμελικό οξύ στις συνδέσεις του μουραμικού οξέος. Ορνιθίνη περιέχει και το γένος Deinococcus. Φύλο 12. Πράσινα μη θειικά βακτήρια Σημαντικά γένη: Chloroflexus, Thermomicrobium To Chloroflexus, καθώς και τα περισσότερα πράσινα μη θειικά βακτήρια είναι νηματοειδείς προκαρυώτες που σχηματίζουν μικροβιακές στοιβάδες σε ουδέτερες έως αλκαλικές θερμές πηγές. Το Chloroflexus είναι φωτότροφο, αλλά δεν παράγει οξυγόνο. Ο φωτοσυνθετικός μηχανισμός του εμφανίζει χαρακτηριστικά τόσο των πορφυρών, όσο και των πράσινων θειοβακτηρίων. Περιέχει βακτηριοχλωροφύλλη γ και χλωροσώματα, όπως τα πράσινα θειοβακτήρια. 58

59 Περιέχει και βακτηριοχλωροφύλλη α, η οποία βρίσκεται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Μοιάζει με τα πορφυρά μη θειικά βακτήρια, καθώς η φωτοαυτοτροφία του υποστηρίζεται από Η 2 S + CO 2 ή από Η 2 + CO 2. Ωστόσο, επιτυγχάνεται καλύτερη φωτοτροφική ανάπτυξη με τη χρήση οργανικών ενώσεων ως πηγών άνθρακα (φωτοετεροτροφία). Το Chloroflexus αναπτύσσεται και στο σκοτάδι με αερόβιο αναπνοή. Το Thermomicrobium είναι υποχρωτικά αερόβιο, Gram (-) και ραβδόμορφο με βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης 75 o C. Αναπτύσσεται σε σύνθετα θρεπτικά μέσα, ενώ τα λιπίδιά του έχουν 1,2-διαλκοόλες αντί γλυκερόλη και δεν περιέχουν εστερικούς ούτε αιθερικούς δεσμούς. Επιπλέον, τα κύτταρά του δεν έχουν πεπτιδογλυκάνη. Σχ.153. Τα ασυνήθιστα λιπίδια του Thermomicrobium. (α) Τα λιπίδια του T. roseum περιέχουν διόλες μακράς αλυσίδας (13-μεθυλο-1,2-δεκαεννεαδιόλη). (β) Σχηματισμός μεμβρανικής διπλοστοιβάδας από μακράς αλυσίδας διόλες. 59

60 Φύλο 13 και 14. Υπερθερμόφιλα βακτήρια με πρώιμες φυλογενετικές διακλαδώσεις Σημαντικά γένη: Thermotoga, Thermodesulfobacterium, Aquifex, Thermocrinus To Τhermotoga είναι ραβδόμορφο και υπερθερμόφιλο (αναπτύσσεται μέχρι και στους 90 o C, με βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης 80 o C). Είναι Gram (-), αναερόβιο, ζυμωτικό χημειοργανότροφο που καταβολίζει σάκχαρα και πολυμερή (π.χ. άμυλο) και παράγει ως προϊόντα ζύμωσης γαλακτικό, οξικό, CO 2 και Η 2. Δεν παράγει σπόρια. Το Thermodesulfobacterium είναι θερμόφιλο, θειοαναγωγικό βακτήριο. Αν και δεν είναι υπερθερμόφιλο (βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης 70 o C), είναι το πλέον θερμόφιλο από όλα τα θειοαναγωγικά βακτήρια. Είναι αυστηρά αναερόβιο και δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει το οξικό οξύ ως δότη ηλεκτρονίων (όπως και τα θειοαναγωγικά βακτήρια της ομάδας Ι), αλλά χρησιμοποιεί γαλακτικό, πυροσταφυλικό και αιθανόλη ανάγοντας το SO 4 2- σε Η 2 S. To Thermodesulfobacterium περιέχει αιθεροσυνδεδεμένα λιπίδια (οι πλευρικές αλυσίδες της γλυκερόλης αποτελούνται από υδρογονάνθρακες C17 μαζί με ορισμένα λιπαρά οξεα). 60

61 Σχ.154. Δομή λιπιδίου Thermodesulfobacterium. Παρόμοια λιπίδια περιέχει και το θερμόφιλο Ammonifex [Gram (+) χαμηλού ποσοστού G+C], το οποίο είναι αναερόβιο οξειδώνοντας Η 2 και ανάγοντας NO 3 - προς ΝΗ 3. Το γένος Aquifex είναι υποχρεωτικά χημειολιθότροφο και αυτοτροφικό υπερθερμόφιλο (το πιο θερμόφιλο από όλα τα γνωστά βακτήρια). Αναπτύσσεται μέχρι τους 95 o C (με βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης 85 o C). 61

62 Τα διάφορα είδη του Aquifex χρησιμοποιούν ως δότες ηλεκτρονίων H 2, S o, ή S 2 O 3 2- και ως δέκτες ηλεκτρονίων O 2 ή ΝΟ 3-. Ανέχεται μόνο πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις Ο 2, ενώ είναι εντελώς ανίκανο να αναπτυχθεί χημειοργανοτροφικά με βάση οργανικές ενώσεις και σύνθετα μίγματα (π.χ. εκχύλισμα ζύμης ή κρέατος). Η αυτοτροφία του στηρίζεται στην αντίστροφη πορεία του κύκλου του κιτρικού οξέος (αυτή η σειρά αντιδράσεων εκτελείται και στα πράσινα θειοβακτήρια). Το γονιδίωμά του είναι εκπληκτικά μικρό (μόλις το 1/3 του μεγέθους του γονιδιώματος της E. coli). To συγγενικό είδος Hydrogenobacter έχει όλες σχεδόν τις ιδιότητες του Aquifex, αλλά είναι υποχρεωτικά αερόβιο. Το γένος Thermocrinus είναι υπερθερμόφιλο (με βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης 80 o C), χημειολιθότροφο, που χρησιμοποιεί ως ηλεκτρονιοδότες Η 2, θειοθειικό ή θείο και ως δέκτη ηλεκτρονίων Ο 2. Φύλο 15 και 16. Nitrospira και Defferibacter Ελάχιστα στοιχεία είναι γνωστά. Είναι χημειολιθότροφοι ή χημειοργανότροφοι, μεσόφιλοι έως θερμόφιλοι. 62

63 Το Nitrospira οξειδώνει το ΝΟ 2- προς ΝΟ 3-, όπως και τα νιτροποιητικά, και αναπτύσσεται αυτότροφα σε αερόβιες συνθήκες. Το γένος Defferibacter περιλαμβάνει εξειδικευμένα είδη στον αναερόβιο ενεργειακό μεταβολισμό. Είναι υποχρεωτικώς αναερόβια. Είναι πολύ ευέλικτο όσο αφορά την αναερόβια αναπνοή, χρησιμοποιώντας ποικιλία από ηλεκτρονιοδέκτες, μεταξύ αυτών και μέταλλα, όπως Fe 3+ και Mn

64 64

65 Τα κύρια χαρακτηριστικά των αρχαίων περιλαμβάνουν την απουσία πεπτιδογλυκάνης από τα κυτταρικά τοιχώματα και την παρουσία αιθεροσυνδεδεμένων λιπιδίων και πολύπλοκων RNA πολυμερασών. Το φυλογενετικό δέντρο των αρχαίων διχάζεται σε 2 κύρια φύλα: 1. Τα Κρεναρχαιωτικά, και 2. Τα Ευρυαρχαιωτικά. Ένα τρίτο φύλο, τα Κοραρχαιωτικά, ανακαλύφθηκε σε ασυνήθιστα θερμές πηγές του Εθνικού Πάρκου Yellostone των ΗΠΑ, όμως δεν έχει ακόμα αναγνωρισθεί επισήμως ταξινομικά. Τα Κρεναρχαιωτικά περιλαμβάνουν κυρίως υπερθερμόφιλα είδη (μερικά ευδοκιμούν στις υφηλότερες θερμοκρασίες στις οποίες μπορεί να αναπτυχθεί ζωή). Πολλά υπερθερμόφιλα είναι χημειολιθοτροφικοί αυτότροφοι οργανισμοί, και επειδή στα ενδιαιτήματά τους δεν υπάρχουν φωτοσυνθετικά είδη, αποτελούν τους μόνους πρωτογενείς παραγωγούς σε αυτά τα αφιλόξενα περιβάλλοντα. Τα υπερθερμόφιλα Κρεναρχαιωτικά διαθέτουν «αργά εξελικτικά ρολόγια», καθώς δεν έχουν απομακρυνθεί σημαντικά από τον υποθετικό πρόγονο όλων των ζώντων οργανισμών. 65

66 Σχ.155. Φυλογενετικό δέντρο των αρχαίων. 66

67 Αντίθετα, οι ψυχρόφιλοι συγγενείς των υπερθερμόφιλων Κρεναρχαιωτικών καταλαμβάνουν μακρύτερους κλάδους στο δέντρο (πρόκειται για οργανισμούς που εξελίσσονται ταχύτερα). Τα Ευρυαρχαιωτικά αποτελούν μια ετερόκλητη ομάδα των αρχαίων, καθώς πολλά από αυτά ζουν σε ακραία περιβάλλοντα. Περιλαμβάνουν τα ακραία αλόφιλα (κατά κύριο λόγο υποχρεωτικώς αερόβια) και τα μεθανιογόνα αρχαία (υποχρεωτικώς αναερόβια). Άλλες ομάδες των Ευραρχαιωτικών είναι τα υπερθερμόφιλα Thermococcus και Pyrococcus αλλά και ο «γυμνός» (χωρίς κυτταρικό τοίχωμα) προκαρυώτης Thermoplasma (φαινοτυπικά παρόμοιος με τα βακτηριακά μυκοπλάσματα). Αρκετά αρχαία είναι χημειοργανοτροφικά. Ο καταβολισμός της γλυκόζης γίνεται μέσω ελαφράς τροποποίησης της οδού Entner-Doudoroff ή μέσω της γλυκολυτικής οδού. Η οξείδωση της οξικής ομάδας προς CO 2 γίνεται είτε μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέος (ή μικρή παραλαγή της σειράς των αντιδράσεων), είτε μέσω της αντίστροφης οδού του ακέτυλο-coa. Λίγα πράγματα είναι γνωστά για τη βιοσύνθεση αμινοξέων και άλλων μακρομορίων στα αρχαία, αλλά υποθέτουμε ότι τα σημαντικά μονομερή παράγονται από τα κύρια βιοσυνθετικά μονοπάτια, όπως και στα βακτήρια. 67

68 Σχ.156. Η οδός του ακέτυλο-coa. 68

69 Σε ορισμένα αρχαία υπάρχουν αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων (περιλαμβάνουν κυτοχρώματα α, b και c). O χημειοργανοτροφικός μεταβολισμός στα περισσότερα αρχαία συντελείται μάλλον με την εισαγωγή ηλεκτρονίων από οργανικούς ηλεκτρονιοδότες σε μια αλυσίδα μεταφορά ηλεκτρονίων που οδηγεί στην αναγωγή Ο 2, S o ή κάποιου άλλου ηλεκτρονιοδέκτη με ταυτόχρονη εμφάνιση πρωτονιοκίνητης δύναμης που προάγει την παραγωγή ΑΤΡ. Η χημειολιθοτροφία είναι επίσης διαδεδομένη στα αρχαία, με το Η 2 ως συνήθη δότη ηλεκτρονίων. Η αυτοτροφία είναι ευρέως διαδεδομένη μεταξύ των αρχαίων. Στα μεθανιογόνα το CO 2 ενσωματώνεται μέσω της οδού του ακέτυλο-coa ή κάποιας τροποποιημένης μορφής της, ενώ σε άλλα υπερθερμόφιλα μέσω αντίστροφου κύκλου του κιτρικού οξέος ή μέσω του κύκλου του Calvin (γονίδια που κωδικοποιούν πολύ θερμοσταθερές δομές του ενζύμου καρβοξυλάση της διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco) έχουν απομονωθεί από το μεθανιογόνο Methanocaldococcus janneaschii). 69

70 Φύλο: Ευρυαρχαιωτικά Ακραία αλόφιλα αρχαία Κυριότερα γένη: Halobacterium, Haloferax, Natronobacterium Τα ακραία αλόφιλα αρχαία είναι μια ανομοιογενής ομάδα προκαρυωτών που ζουν σε περιβάλλοντα με πολύ υψηλή αλατότητα (δεξαμενές αλυκών, φυσικές αλατούχες λίμνες, τεχνητά ενδιαιτήματα υψηλής αλατότητας, κλπ). Ο όρος ακραίο αλόφιλο υποδηλώνει ότι οι μικροοργανισμοί έχουν πολύ υψηλές απαιτήσεις σε αλάτι, που σε μερικές περιπτώσεις αγγίζει τα όρια του κορεσμού. Ακραίο αλόφιλο θεωρείται ένας οργανισμός που απαιτεί τουλάχιστον 1.5Μ (περίπου 9%) NaCl για να αναπτυχθεί. Τα περισσότερα είδη απαιτούν 2-4Μ (12-23%) NaCl για την άριστη ανάπτυξή τους. Σχεδόν όλα τα ακραία αλόφιλα μπορούν να αναπτύσσονται σε 5.5Μ (32%, όριο κορεσμού) NaCl. Τα ακραία αλόφιλα αρχαία είναι Gram (-), αναπαράγονται με διχοτόμηση και δεν παράγουν ανθεκτικά σπόρια. Τα περισσότερα είναι μη αυτοκινούμενα, αλλά ορισμένα κινούνται ελαφρώς με τη βοήθεια μαστιγίων. 70

71 Τα ακραία αλόφιλα αρχαία είναι χημειοργανοτροφικά και τα περισσότερα είδη υποχρεωτικώς αερόβια, χρησιμοποιώντας αμινοξέα και οργανικά οξέα ως πηγές ενέργειας, ενώ απαιτούν αρκετούς αυξητικούς παράγοντες (κυρίως βιταμίνες) για την άριστη ανάπτυξή τους. Μερικά στελέχη, όμως, αναπτύσσονται αναερόβια με ενέργεια που παράγεται από ζύμωση σακχάρων και από την αναερόβια αναπνοή. Το Halobacterium απαιτεί για την ανάπτυξή του μεγάλες ποσότητες νατρίου. Οι απαιτήσεις του σε Na + δεν μπορούν να ικανοποιηθούν μέσω υποκατάστασής του από άλλο ιόν (ακόμα και από το χημικά συγγενές ιόν Κ + ). Οι μικροοργανισμοί ανταπεξέρχονται στις ωσμωτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται σε περιβάλλον υψηλής συγκέντρωσης διαλυτών με το να συσσωρεύουν ή να συνθέτουν οργανικές ενώσεις στο εσωτερικό του κυττάρου (συμβατές διαλυμένες ουσίες). Ως συμβατή διαλυμένη ουσία, τα κύτταρα του Halobacterium αντλούν μεγάλες ποσότητες Κ + στο κυτταρόπλασμα, έτσι ώστε η συγκέντρωση του Κ + μέσα στο κύτταρο να είναι σημαντικά υψηλότερη από τη συγκέντρωση Na + στο περιβάλλον. Το κυτταρικό τοίχωμα του Halobacterium αποτελείται από γλυκοπρωτεΐνες και σταθεροποιείται με Na +, τα οποία προσδένονται στην εξωτερική επιφάνειά του και είναι απολύτως απαραίτητα για τη διατήρηση της ακεραιότητας του κυττάρου. 71