Mikrobiologia egzamin

Odpowiedzi z uzasadnieniem i przykładami !!!!

Rozważ poniższe drzewo filogenetyczne. Wyjaśnij, w jaki sposób one powstało i jak pokazuje ono relacje między domenami Bakteriami, Archeonami i Eukariontami oraz ich wspólnym przodkiem. Które z tych domen zawierają patogeny ludzkie?

Drzewo filogenetyczne przedstawia ewolucyjne relacje między organizmami, opierając się na analizie ich cech genetycznych i biochemicznych. Powstało w wyniku badań porównawczych sekwencji DNA i RNA, a także analizy cech morfologicznych i metabolicznych.

Bakterie, archeony i eukarionty wyewoluowały od wspólnego przodka. Bakterie i archeony, mimo że są prokariontami, rozdzieliły się na wczesnym etapie ewolucji i różnią się znacząco.

Eukarionty, zawierające komórki z jądrem, są najbardziej złożoną grupą i wyewoluowały później.

Patogeny występują w domenach bakterii i eukariontów, natomiast nie zidentyfikowano ich wśród archeonów.

Wyjaśnij, co dzieje się podczas sporulacji, jakie są jej etapy na konkretnym przykładzie wybranego mikroorganizmu eukariotycznego i prokariotycznego.

Proces sporulacji u Bacillus subtilis prowadzi do powstania endospor. Endospory to formy przetrwalnikowe o wysokiej odporności.

Etapy tworzenia endospory:

1. Replikacja chromosomu i podział na chromosomy potomne.

2. Błona cytoplazmatyczna wpukla się do wnętrza komórki, tworząc przegrodę (septa) wokół jednego z chromosomów.

3. Błona cytoplazmatyczna otacza nowo powstałą sporę.

4. Mureina (peptydoglikan) jest odkładana wokół spory, tworząc grubą warstwę.

5. Rozpoczyna się degradacja DNA bakteryjnego.

6. Płaszcz białkowy tworzy się wokół mureiny w endosporze.

7. Bakteria ulega lizie, a spora jest uwalniana.

8. W lepszych warunkach środowiska spora kiełkuje, stając się komórką.

Sporulacja u Saccharomyes cerevisiae to proces, w którym diploidalne komórki drożdży tworzą zarodniki (spory) w odpowiedzi na niekorzystne warunki środowiskowe.

1. Mejoza: Komórka diploidalna przechodzi podział mejotyczny, redukując liczbę chromosomów z diploidalnej (2n) do haploidalnej (n). Powstają cztery jądra haploidalne.

2. Tworzenie ascus (worka zarodnikowego): Wokół każdego haploidalnego jądra formowana jest błona komórkowa. Powstają cztery spory zamknięte w jednym worku nazywanym ascus.

3. Ochrona zarodników: Ściany zarodników są wzmacniane przez specjalne białka i polisacharydy, dzięki czemu są bardzo odporne na stres środowiskowy

Związki pełniące funkcję materiałów zapasowych w komórce:

Do materiałów zapasowych w komórce należą:

• Polimery cukrów, takie jak glikogen, granuloza i skrobia.

Dodatkowo:

• Polimery kwasów hydroksyalkanowych, na przykład kwas polihydroksymasłowy (PHB).

• lipidy, polifosforany, cyjanoficyna, siarka pierwiastkowa i wolutyna.

Cząsteczki nośników elektronów w oddychaniu tlenowym:

W oddychaniu tlenowym elektrony do łańcucha transportu elektronów dostarczane są przez NADH i FADH2.

Elektrony oderwane od glukozy przez NAD+ w czasie glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego są przenoszone przez NADH do pierwszej cząsteczki kompleksu I łańcucha transportu elektronów.

FADH2 przekazuje elektrony na kompleks II łańcucha transportu elektronów.

Cechy klasyfikujące organizm jako fotoautotrof:

Fotoautotrofy czerpią energię z promieniowania świetlnego.

Autotrofy potrafią syntetyzować własne cząsteczki organiczne z prostych związków nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla i woda.

Fotoautotrofy obligatoryjne jako donory elektronów wykorzystują wodę, siarkowodór lub wodór.

Co to jest horyzontalny transfer genów?

Horyzontalny transfer genów to proces przekazywania materiału genetycznego między dwoma organizmami, które nie są ze sobą spokrewnione w sposób liniowy (niezwiązane relacją rodzic-potomstwo). Pozwala bakteriom na szybką adaptację do nowych warunków środowiskowych i mikroewolucję.

Trzy główne mechanizmy horyzontalnego transferu genów u bakterii:

a. Transformacja - pobieranie wolnego DNA ze środowiska. Komórka biorcy pobiera fragmenty DNA pochodzące z komórki dawcy, które mogą być naturalne lub sztuczne.

b. Transdukcja - przekazywanie DNA za pośrednictwem bakterioƒạgów. W tym procesie bakterioƒạg przenosi fragmenty DNA z jednej bakterii do innej.

c. Koniugacja - bezpośrednie przekazywanie DNA z komórki do komórki poprzez połączenie cytoplazmatyczne.

Wszystkie wirusy składają się z _____ i _______.

Wirusy składają się z białek i kwasu nukleinowego (DNA lub RNA).

Która/które z trzech domen życia zawiera/zawierają patogeny ludzkie?

Bakterie i eukarionty zawierają gatunki, które są patogenami dla ludzi. Nie stwierdzono patogennych archeonów.

Uzupełnij tabelę

Podpisz

Definicje słowa “mikroorganizm”

Mikroorganizm to termin, który odnosi się do organizmów zbyt małych, aby można je było zobaczyć gołym okiem.

Zaliczane są do nich organizmy jednokomórkowe takie jak bakterie, archeony, pierwotniaki, grzyby i glony.
Również wirusy, mimo że nie są żywe.

W jaki sposób rozwój mikroskopów doprowadził do odkrycia mikroorganizmów?

Rozwój mikroskopów był kluczowy dla odkrycia mikroorganizmów. Antonie van Leeuwenhoek skonstruował przełomowy mikroskop w 1674 roku i jako pierwszy zaobserwował i opisał drobnoustroje. Jego rysunki i opisy małych zwierzątek w wodzie, które były tysiąc razy mniejsze od najmniejszych widzianych gołym okiem, zrewolucjonizowały postrzeganie świata.

Jak różnorodność mikrobiologiczna wpisuje się w różnorodność życia na Ziemi?

Różnorodność mikrobiologiczna jest integralną częścią różnorodności życia na Ziemi.

Ich różnorodność przewyższa różnorodność makroorganizmów. Co więcej, mikroorganizmy są kluczowe dla funkcjonowania biosfery i występują we wszystkich środowiskach.

Jak na przestrzeni dziejów zmieniało się ludzkie rozumienie różnorodności biologicznej? (domeny)

Początkowo dominował hierarchiczny model, który opierał się na tradycji greckiej i rzymskiej oraz teologii chrześcijańskiej. W modelu tym, istoty żywe były dzielone na rośliny, zwierzęta i istoty duchowe.
W późniejszym okresie zaczęto stosować ekologiczny model, który dzielił organizmy na pięć królestw: zwierzęta, rośliny, grzyby, pierwotniaki i glony.

Aktualnie dominuje ewolucyjny model, który opiera się na analizie sekwencji DNA i wyróżnia trzy domeny życia: Bacteria, Archaea i Eukarya.

Porównaj i skontrastuj składniki domen w Drzewie Życia

Bakterie i Archeony są mikroorganizmami, które nie posiadają jądra komórkowego i należą do prokariotów.
Eukarya obejmują organizmy, które posiadają jądro komórkowe.

1. Eukaryota

Struktura komórkowa:

• Jądro komórkowe otoczone błoną jądrową, które przechowuje materiał genetyczny (DNA).

• Organelle komórkowe otoczone błonami, takie jak mitochondria, chloroplasty, siateczka śródplazmatyczna i aparat Golgiego.

• Cytoszkielet wspomagający ruch komórki i podział komórkowy.

DNA: Zorganizowane w liniowe chromosomy zlokalizowane w jądrze, a także DNA mitochondrialne i chloroplastowe.

Replikacja i podział komórkowy:

• Złożone procesy podziału: mitoza i mejoza.

Metabolizm:

• Zróżnicowane procesy metaboliczne: oddychanie tlenowe, fotosynteza.

2. Archaea

Struktura komórkowa:

• Komórki nie mają jądra ani organelli błoniastych, co czyni je podobnymi do bakterii.

• Błony komórkowe zbudowane z lipidów o unikalnej strukturze (eterowe wiązania lipidowe, a nie estrowe, jak u bakterii i eukariontów), co daje im odporność na ekstremalne warunki środowiskowe.

DNA: Koliste DNA podobne do bakterii, ale związane z białkami histonopodobnymi (co przypomina eukaryoty).

Replikacja i podział komórkowy:

• Prostszy proces podziału – bez mitozy, ale z mechanizmami przypominającymi eukaryotyczną replikację DNA.

Metabolizm:

• Duża różnorodność metaboliczna: zdolność do życia w ekstremalnych warunkach, np. w wysokich temperaturach, wysokim zasoleniu, w warunkach beztlenowych.

• Niektóre produkują metan (metanogeny) – unikalna cecha wśród organizmów żywych.

3. Bacteria

Struktura komórkowa:

• Brak jądra i organelli otoczonych błonami.

• Ściana komórkowa z peptydoglikanu (mureiny) – cecha unikalna dla bakterii.

DNA: Koliste DNA, zwykle w postaci nukleoidu, bez histonów.

Replikacja i podział komórkowy:

• Prosta replikacja przez podział binarny.

Metabolizm:

• Zróżnicowany – od fotosyntezy (np. u cyjanobakterii), przez oddychanie tlenowe, do fermentacji.

• Bakterie występują w niemal każdym środowisku, ale zazwyczaj preferują mniej ekstremalne warunki niż Archaea.

Podobieństwa między domenami:

1. Eukaryota vs. Archaea:

• Obie grupy mają wspólne cechy w replikacji DNA, transkrypcji i translacji, co sugeruje bliższe pokrewieństwo.

• Histony lub histonopodobne białka obecne w Archaea i Eukaryota (nie występują w Bacteria).

2. Archaea vs. Bacteria:

• Obie są prokariotyczne (brak jądra i organelli otoczonych błonami).

• Podobna wielkość komórek i struktura genomu (koliste DNA).

3. Uniwersalne cechy wszystkich domen:

• Obecność błony komórkowej.

• Kod genetyczny oparty na DNA i RNA.

• Procesy metaboliczne wykorzystujące ATP.

Jak endosymbioza ukształtowała współczesne komórki eukariotyczne?

Teoria endosymbiozy wyjaśnia, jak eukarionty ewoluowały z symbiozy między archeonami a bakteriami.
Wczesny eukariont pochłonął bakterię tlenową, która z czasem przekształciła się w mitochondrium. U niektórych eukariontów, na drodze kolejnej endosymbiozy, doszło do pochłonięcia bakterii fotosyntetyzującej, która stała się chloroplastem. W ten sposób endosymbioza ukształtowała współczesne komórki eukariotyczne.

Jakie składniki i/lub geny komórek eukariotycznych pochodzą od bakterii i archeonów?

● Genom jądrowy eukariontów - geny głównie od archeonów, z dodatkiem niektórych genów bakteryjnych.

● Mitochondria - własny genom od bakterii.

● Chloroplasty - własny genom od bakterii fotosyntetyzujących.

● Białka cytoszkieletu - aktyna i tubulina, od archeonów.

● System endomembranowy - od archeonów.

Opisz części komórki mikroorganizmów i ich działanie.

● Błona komórkowa: Bakterie mogą mieć jedną lub dwie błony komórkowe. Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy fosfolipidowej.
Archeony mają błonę komórkową o unikalnym składzie lipidowym.
Eukarionty mają błonę komórkową podobną do bakteryjnej.

● Ściana komórkowa: Bakterie posiadają ścianę komórkową z peptydoglikanu - mureiny.
Archeony mają różnorodne ściany komórkowe, często z warstwą białkową “S”
Eukarionty posiadają różnorodne ściany komórkowe lub mogą ich nie mieć.

● DNA: Prokarioty mają zazwyczaj pojedynczy, okrągły chromosom zorganizowany w nukleoid.
Eukarionty posiadają wiele chromosomów liniowych, zorganizowanych w jądrze. Komórki eukariotyczne zawierają genomy mitochondrialne, a komórki roślinne także genomy chloroplastowe.

● Rybosomy: Rybosomy prokariotyczne i eukariotyczne różnią się strukturą i składem.

● Plazmidy: Bakterie mogą zawierać pozachromosomalne DNA w postaci plazmidów.

● Inne struktury: Komórki bakteryjne mogą zawierać materiały zapasowe, takie jak glikogen, lipidy, polifosforany i siarkę pierwiastkową.
Niektóre bakterie mają wakuole gazowe.
Bakterie magnetotaktyczne zawierają magnetosomy.

● Pilusy, fimbrie, wici, rzęski, kapsuły i otoczki to elementy występujące na otoczce komórek bakteryjnych.

Jakie składniki metabolizmu drobnoustrojów są kluczowe dla wzrostu i reprodukcji?

● Węgiel - niezbędny do budowy makrocząsteczek, takich jak fosfolipidy, węglowodany, kwasy nukleinowe i białka.

● Azot - do syntezy białek i kwasów nukleinowych.

● Fosfor - składnik fosfolipidów i kwasów nukleinowych.

● Siarka - składnik niektórych białek.

● Metale i inne pierwiastki śladowe - kofaktory enzymatyczne.

Skontrastuj reakcje metaboliczne u roślin i zwierząt z reakcjami metabolicznymi występującymi tylko u drobnoustrojów

● Rośliny są fotoautotrofami, wykorzystującymi energię słoneczną i CO2 do syntezy związków organicznych. Przeprowadzają one fotosyntezę tlenową.

● Zwierzęta i grzyby są chemoheterotrofami, pobierającymi gotowe związki organiczne i energię z oddychania komórkowego lub fermentacji.

● Chemolitotrofia występuje wyłącznie u prokariontów - wykorzystują one związki nieorganiczne do syntezy związków organicznych.

Wyjaśnij, dlaczego metabolizm mikrobiologiczny jest ważny dla obiegu składników odżywczych

● Autotroficzne mikroorganizmy wiążą CO2 i produkują związki organiczne, które stanowią pokarm dla innych organizmów.

● Heterotroficzne mikroorganizmy rozkładają martwą materię organiczną i uwalniają składniki odżywcze do środowiska, co jest kluczowe w mineralizacji.

● Bakterie przeprowadzają wiązanie azotu, umożliwiając jego dostępność dla innych organizmów.

● Mikroorganizmy utleniają różne związki chemiczne, co wpływa na skład chemiczny środowiska

Pomiar i przewidywania liczby komórek drobnoustrojów w hodowli; (porównanie metod pośrednich i bezpośrednich, użycie matematyki)

● Metody bezpośrednie:

○ Liczenie pod mikroskopem - przy użyciu komory Burkera. Jest to metoda nudna i czasochłonna, trudno też odróżnić komórki żywe od martwych.

● Metody pośrednie:

○ Liczebność kolonii (JTK) - polega na rozcieńczaniu próbek i liczeniu kolonii, które wyrosły na szalkach. JTK oznacza jednostkę tworzącą kolonię, gdzie zarówno grudki, jak i pojedyncze komórki tworzą kolonie. Jest to metoda łatwiejsza niż liczenie pod mikroskopem, ale nadal trudna do częstego wykonywania.

○ Gęstość optyczna (OD) - polega na pomiarze zmętnienia próbki w spektrofotometrze. Metoda ta jest szybka i łatwa, można ją zautomatyzować, jednak mniej dokładna przy wysokich zagęszczeniach komórek.

○ Cytometria przepływowa - umożliwia rozróżnienie populacji komórek na podstawie cech morfologicznych i składu antygenowego.

○ Coulter Counter - metoda oparta na rezystancyjnym wykrywaniu impulsów.

● Matematyczne przewidywanie liczby komórek:

○ Wzrost drobnoustrojów w płynie charakteryzuje się fazą opóźnienia, fazą wykładniczą, fazą stacjonarną i fazą śmierci.

○ W fazie wykładniczej liczba komórek podwaja się w regularnych odstępach czasu.

Różnorodność środowisk (ważne parametry środowiskowe), w których mogą rozwijać się drobnoustroje

● Tlen:

○ Obligatoryjne tlenowce - wymagają tlenu do wzrostu.

○ Obligatoryjne beztlenowce - nie tolerują tlenu i giną w jego obecności.

○ Fakultatywne beztlenowce - mogą rosnąć zarówno w obecności, jak przy braku tlenu.

○ Mikroaerofile - wymagają niskiego poziomu tlenu do wzrostu.

○ Reaktywne formy tlenu (ROS) - rodniki i związki niebędące rodnikami, które powstają w wyniku metabolizmu tlenowego i mogą być toksyczne dla komórek. Mikroorganizmy posiadają enzymy obronne (peroksydazy, dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza).

● Temperatura:

Hipertermofile to drobnoustroje rosnące w wysokich temperaturach.

● pH:

○ Neutrofile - preferują neutralne pH.

○ Alkalifile - preferują zasadowe pH.

○ Acydofile - preferują kwaśne pH.

● Ciśnienie osmotyczne (zasolenie):

○ Halotolerancyjne - tolerują wysokie stężenia soli.

○ Halofile - wymagają wysokich stężeń soli do wzrostu.

○ Ekstremalne halofile - rosną w bardzo wysokich stężeniach soli.

● Promieniowanie: Niektóre prokarionty, takie jak Deinococcus radiodurans, są odporne na wysokie dawki promieniowania jonizującego.

● Inne: Dostępność składników odżywczych (węgla, azotu, fosforu, siarki) oraz inne parametry abiotyczne.

Podział komórkowy (podział poprzeczny) i cykle życiowe

● Podział poprzeczny (rozszczepienie binarne) - typowy podział prokariotów.

• Replikacja chromosomu.

• Wydłużenie komórki i migracja białka FtsZ do środka komórki.

• Rozdzielenie chromosomów i utworzenie pierścienia Z.

• Dołączenie białek dywizomu, zwężenie pierścienia Z i rozpoczęcie tworzenia przegrody podziałowej.

• Zakończenie cytokinezy.
  

● Alternatywne wzorce podziału:

• Podział asymetryczny (pączkowanie).

• Fragmentacja.
  

● Cykl życiowy drożdży Saccharomyces cerevisiae: podział komórkowy przez mitozę i pączkowanie.

● Komórki przetrwalnikowe:

• Komórki przetrwalnikowe (persystory) wykazują aktywność metaboliczną poniżej granicy wykrywalności.

• Komórki przetrwalnikowe pomagają przetrwać niekorzystne warunki.

Porównanie i kontrast wzrostu drobnoustrojów w środowisku ciekłym i stałym

● Wzrost w środowisku ciekłym:

○ Najłatwiejszy do badania w laboratorium, ale rzadki w naturze.

○ Powszechny w bioreaktorach.

○ Wzrost charakteryzuje się fazą opóźnienia, fazą wykładniczą, fazą stacjonarną i fazą śmierci.

● Wzrost na powierzchni stałej:

○ Najczęściej spotykany w naturze.

○ Wzrost na powierzchniach stałych prowadzi do tworzenia biofilmów.

○ Biofilmy zawierają macierz zewnątrzkomórkową (EPS), która chroni komórki przed stresem środowiskowym.

○ Biofilmy mogą być jedno- lub wielogatunkowe.

○ Struktura przestrzenna biofilmu może umożliwiać wzajemne korzystanie z substancji odżywczych.

○ Komórki w biofilmie komunikują się za pomocą wyczuwania kworum, co reguluje różne procesy (np. produkcję EPS).

○ Wyczuwanie kworum polega na wydzielaniu cząsteczek sygnałowych QS i reagowaniu na ich wysokie stężenie.

○ Wysokie stężenie cząsteczek QS indukuję ekspresję genów np. wydzielanie EPS, przywieranie do podłoża, rozwój komórek dyspersyjnych.

Cykl życiowy i tworzenie endospor u Bacillus subtilis

● Cykl sporulacji obejmuje asymetryczny podział komórki, tworzenie prespory, wchłanianie prespory, tworzenie korteksu i płaszcza, lizę komórki macierzystej.

● Kiełkowanie endospory następuje w sprzyjających warunkach.

● Komórki Bacillus subtilis inwestują w wolno rosnącą subpopulację, zwaną persisters, aby zapewnić przetrwanie w obliczu niepewności.

W jaki sposób zbudowane są genomy drobnoustrojów

● Chromosom bakteryjny: Zazwyczaj jest haploidalny, kolisty i składa się z nagiego DNA (bez histonów). Znajduje się w cytoplazmie. Może być replikowany w sposób ciągły. Nie wszystkie bakterie mają tylko jeden chromosom. Niektóre mogą mieć więcej kolistych chromosomów lub niezbędne do życia plazmidy o różnej wielkości.

● Plazmidy: Są to małe, koliste cząsteczki DNA. Mogą zawierać geny oporności na antybiotyki, geny odpowiedzialne za koniugację, funkcje metaboliczne, wirulencję.

● Elementy mobilne genetyczne: Sekwencje insercyjne (IS) i transpozony to elementy zdolne do transpozycji, które mogą się włączać w wiele miejsc genomu bakteryjnego. Transpozony to odcinki DNA z genami między sekwencjami IS.

● Genomy bakterii mogą być różne. Bakterie wolnożyjące mają większe genomy i często większy udział genów uzyskanych na drodze przepływu horyzontalnego, natomiast bakterie wewnątrzkomórkowe mają mniejsze genomy i nie posiadają genów nabytych horyzontalnie.

Jak przebiega replikacja materiału genetycznego prokariontów?

● Replikacja DNA jest semikonserwatywna, co oznacza, że każda nowa cząsteczka DNA składa się z jednej nici macierzystej i jednej nowo zsyntetyzowanej.

● Proces replikacji obejmuje kilka etapów i wymaga udziału różnych enzymów:

○ Helikaza rozrywa nici DNA.

○ Prymaza RNA tworzy startery RNA.

○ Polimeraza DNA III kopiuje DNA.

○ Ligaza DNA łączy fragmenty DNA.

○ Gyrazy i topoizomerazy rozplątują splątania DNA.

○ Polimeraza DNA I ma trzy aktywności enzymatyczne: polimerazową, egzonukleazową i egzonukleazową 5'→3'

● Replikacja rozpoczyna się w miejscu oriC (początek replikacji) i przebiega w dwóch kierunkach.

● Terminacja replikacji następuje w miejscu Ter, gdzie białko Tus blokuje widełki replikacyjne, a topoizomeraza rozłącza dwie koliste cząsteczki DNA.

W jaki sposób drobnoustroje wymieniają między sobą materiał genetyczny: Przekaz wertykalny i przekaz horyzontalny

● Przekaz wertykalny (pionowy): Polega na przekazywaniu materiału genetycznego z komórki macierzystej do komórek potomnych. Obejmuje chromosomy, plazmidy i zintegrowane proƒạgi.

● Przekaz horyzontalny (poziomy): Polega na przekazywaniu materiału genetycznego między niespokrewnionymi osobnikami. Istnieją trzy główne mechanizmy horyzontalnego transferu genów:

○ Transformacja: Pobieranie DNA ze środowiska, które może występować w formie plazmidów lub fragmentów DNA.

○ Transdukcja: Przenoszenie DNA za pośrednictwem ƒagów. ƒag wstrzykuje DNA, które może ulec replikacji, pozostać w cytoplazmie lub zintegrować się z chromosomem gospodarza.

○ Koniugacja: Przekazywanie plazmidu koniugacyjnego z komórki dawcy do komórki biorcy poprzez pilus. Plazmid F może przenosić informację genetyczną chromosomów.

W jaki sposób geny i środowisko oddziałują na siebie, zmieniając fenotypy prokariontów? ( Transkrypcja Translacja, Mutacje: test Amesa, Operony)

● Transkrypcja: Proces przepisywania informacji z DNA na RNA.

○ Polimeraza RNA syntetyzuje RNA na matrycy DNA.

○ Proces obejmuje inicjację, elongację i terminację.

○ Regulacja transkrypcji może odbywać się poprzez promotor i czynnik

transkrypcyjny sigma.

● Translacja: Proces syntezy białka na matrycy mRNA.

○ mRNA jest odczytywane jako triplety zasad (kodony).

○ tRNA odczytuje kodony i dostarcza odpowiednie aminokwasy.

○ Proces obejmuje inicjację, elongację i terminację.

● Mutacje: Zmiany w sekwencji DNA, które mogą prowadzić do zmian w sekwencji

białka.

○ Mutacje punktowe (ciche, missensowne, nonsensowne, insercje i delecje).

○ Test Amesa służy do wykrywania mutagennych substancji poprzez pomiar

częstości rewertantów w szczepach Salmonella.

● Operony: Zespoły genów o wspólnej funkcji, transkrybowane pod kontrolą jednego

promotora.

○ Operon represorowy (np. operon tryptofanowy) jest wyłączany w obecności

produktu końcowego szlaku.

○ Operon indukowany (np. operon laktozowy) jest włączany w obecności

substratu szlaku.

○ Regulacja operonu lac jest zależna od poziomu glukozy i laktozy. Niski

poziom glukozy powoduje wzrost poziomu cAMP i aktywację transkrypcji

operonu lac.

● Regulacja globalna:

○ Regulon cAMP-CRP jest głównym bakteryjnym regulatorem globalnym.

○ Alarmony (pochodne nukleotydów) zmieniają ekspresję genów w odpowiedzi

na stres.

● Alternatywne czynniki sigma regulują transkrypcję w zależności od warunków

środowiskowych.

● Atenuacja to mechanizm regulacji transkrypcji, który blokuje ukończenie syntezy

mRNA.

● Ryboprzełączniki to fragmenty mRNA, które wiążą się z małymi cząsteczkami

wewnątrzkomórkowymi i wpływają na ekspresję genów.

Zdefiniuj “antybiotyk” i podobne słowa (anty i przeciw…) i porównaj je z “antyseptycznym”

Antybiotyki to substancje, które selektywnie hamują wzrost lub zabijają drobnoustroje, nie szkodząc przy tym gospodarzowi. Antyseptyki natomiast nie są selektywne i niszczą zarówno drobnoustroje, jak i komórki gospodarza.

Antybiotyki i ich działanie:

● Definicja: Antybiotyk to związek chemiczny, który zabija (bakteriobójczy) lub hamuje (bakteriostatyczny) wzrost drobnoustrojów, nie wywołując jednocześnie szkodliwego efektu dla organizmu gospodarza.

● Toksyczność selektywna: Antybiotyki działają na drobnoustroje, wykorzystując różnice w budowie i metabolizmie komórek bakteryjnych i ludzkich.

W jaki sposób antybiotyki hamują rozwój komórek drobnoustrojów: procesy i struktury (nazwy klas antybiotyków)

Antybiotyki działają na różne cele w komórce bakteryjnej, hamując kluczowe procesy życiowe.
Najczęstsze cele to:

● Ściana komórkowa: Penicylina, cefalosporyna hamują syntezę peptydoglikanu.

● Błony komórkowe: Nizyna, daptomycyna, kolistyna i gramicydyna działają poprzez tworzenie kanałów w błonie komórkowej, zaburzając jej funkcjonowanie.

● Synteza DNA i RNA: Nowobiocyna i cyprofloksacyna hamują gyrazę i topoizomerazę, enzymy niezbędne do replikacji DNA. Ryfampicyna hamuje polimerazę RNA, blokując transkrypcję.

● Synteza białek: Streptomycyna, chloramfenikol, makrolidy (np. erytromycyna), linezolid, kanamycyna, gentamycyna, amikacyna, tetracykliny i mupirocyna, hamują różne etapy syntezy białek, działając na rybosomy lub tRNA.

● Synteza kwasu foliowego: Sulfonamidy hamują syntezę kwasu foliowego, który jest niezbędny do syntezy kwasów nukleinowych.

W jaki sposób oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe może ewoluować w czasie

Oporność na antybiotyki to zdolność drobnoustrojów do przeżycia i wzrostu w obecności

antybiotyku, który normalnie powinien je zabić lub zahamować ich rozwój. Mechanizmy

oporności ewoluują w czasie na drodze doboru naturalnego.

● Mechanizmy oporności:

○ Nowe mutacje: Spontaniczne mutacje w genomie bakterii mogą prowadzić

do zmian w białkach docelowych antybiotyków, zmniejszając ich

powinowactwo do leku.

○ Horyzontalny transfer genów: Bakterie mogą nabywać geny oporności od

innych bakterii poprzez transdukcję, koniugację lub transformację.

○ Zapobieganie przedostawaniu się antybiotyku do komórki: Bakterie

mogą modyfikować pory w błonie komórkowej, blokując wnikanie antybiotyku,

lub wypompowywać antybiotyk z komórki za pomocą pomp efflux.

○ Zmiana miejsca docelowego: Bakterie mogą modyfikować strukturę białka

docelowego antybiotyku, zmniejszając jego powinowactwo do leku.

○ Inaktywacja antybiotyku: Bakterie mogą wytwarzać enzymy, które

rozkładają lub modyfikują antybiotyk, czyniąc go nieaktywnym.

● Wpływ środowiska:

○ Biofilmy: Bakterie tworzące biofilmy są mniej wrażliwe na antybiotyki z

powodu zmniejszonej przepuszczalności antybiotyków, niskiej aktywności

metabolicznej i obecności komórek przetrwalnikowych.

○ Bakterie L-formy: Bakterie, które tracą ścianę komórkową po ekspozycji na

stres, mogą wykazywać oporność na niektóre antybiotyki.

● Selekcja naturalna: Antybiotyki działają jak czynnik selekcyjny. Bakterie oporne

przeżywają i rozmnażają się, prowadząc do wzrostu populacji opornych

drobnoustrojów

Przewidywanie skutków kryzysu związanego z opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe

● Zagrożenie dla zdrowia publicznego - prowadzi do wzrostu liczby infekcji trudnych do leczenia i zwiększonej śmiertelności.

● Utrudnia leczenie chorób zakaźnych, a także uniemożliwia wykonywanie wielu procedur medycznych, takich jak operacje, przeszczepy i chemioterapia, które wymagają profilaktyki antybiotykowej.

● Zmusza do oszukiwania nowych antybiotyków i strategii leczenia: terapia ƒạgowa, modyfikacja istniejących antybiotyków czy poszukiwanie nowych celów terapeutycznych.

● Nowe antybiotyki: Zosurabalpina jest przykładem nowego antybiotyku o obiecującej aktywności przeciwko lekoopornym szczepom Acinetobacter baumannii. Działa poprzez hamowanie transportu lipopolisacharydu (LPS), celując w białko LptF, które nie było wcześniej celem istniejących antybiotyków.

Różnorodność budowy wirusów

Wirion składa się z dwóch podstawowych elementów: kwasu nukleinowego, stanowiącego wirusowy genom, oraz otaczającego go płaszcza białkowego - kapsydu

Niektóre wirusy mają dodatkowo osłonkę lipoproteinową

Ze względu na kształt i ułożenie kapsomerów wirusy można podzielić na:

• wirusy o symetrii helikalnej

• wirusy o symetrii ikozaedralnej (kubicznej)

• wirusy o symetrii złożonej

3 hipotezy powstania wirusów

1. Teoria ucieczki – wirusy powstały z autonomicznych fragmentów DNA, np. transpozony, które nabrały możliwość tworzenia wirionów

2. Teoria redukcji – wirusy powstały na drodze ewolucji w kierunku maksymalnie zredukowanych pasożytów wewnątrzkomórkowych

3. Teoria koewolucji – wirusy powstały przed pierwszymi komórkami jako cząsteczki RNA zdolne do samoreplikacji

Opisz cechy wirusów, które infekują bakterie i inne drobnoustroje

1. Genom zbudowany z ssDNA, dsDNA, ssRNA lub dsRNA.

2. Receptory białek występujących na błonie/ścianie gospodarza, np. białka błonowe, lipidy, fosfolipidy, glikolipidy etc.

3. Ogon służący do wstrzykiwania materiału genetycznego

4. Cykl lityczny (produkcja nowych wirionów i liza komórki) oraz cykl lizogeniczny (wirus integruje się z genomem bakterii, replikuje się wraz z nim, przechodzi w cykl lityczny momencie stresu)

Interakcje – bakteria <> ƒạgi: Zbadaj, jak bakterie i ƒạgi wpływają wzajemnie na swoją ewolucję

Wyścig zbrojeń;

Bakterie mogą zmieniać lub blokować receptory na błonie/ścianie, lub nawet zatracić ścianę by zmylić ƒạga. Mogą używać CRISPR lub REazy do cięcia genomu ƒagowego.

ƒag natomiast adaptuje się, np. Metylując palindromy w swoim materiale genetycznym by nie został pocięty przez REazy.

Opisz enzymy restrykcyjne i wyjaśnij, w jaki sposób pomagają one bakteriom chronić się przed wirusami;

Enzymy restrykcyjne (REeazy) to enzymy tnące specyficzne sekwencje palindromiczne DNA/RNA, tym samym niszczą materiał genetyczny ƒaga. Bakteria chroni swój genom za pomocą metylacji używając enzymów metylujących MTazy.

Opisz system CRISPR-Cas i wyjaśnij, w jaki sposób pomaga on bakteriom i archeonom chronić się przed wirusami;

CRISPR-Cas – to odcinek genomu bakteryjnego składający się z sekwencji leaderowej, unikatowych spacerów, i palindromowych powtórzeń. Geny Cas kodują białka enzymatyczne jak np. Cas9, które tną DNA lub RNA.

Przy infekcji, bakteria tnie genom wirusa i wbudowywuje go do regionu CRISPR jako nowy spacer. Region ten jest następnie transkrybowany na crRNA (złożony z jednego spacera i jednej powtarzającej się sekwencji), tworzący kompleks z białkami Cas. Przy kolejnej infekcji przez tego samego wirusa, kompleks ten tnie genom wirusowy po rozpoznaniu dzięki zasadzie komplementarności.

Eksperymenty (klasyczne i współczesne) z użyciem drobnoustrojów pokazujące ogólne mechanizmy ewolucji

· 1943 Luria i Delbrück - obserwacja ewolucji bakterii

· Potwierdzili, że bakterie mają informację genetyczną!

W systemie eksperymentalnym Luria-Delbrück występowała różnorodność bakterii - oporne i wrażliwe.

Dwie hipotezy powstawania zmienności:

· wirus poprzez bezpośrednie działanie wywołał oporne warianty
· oporne warianty bakterii powstają w wyniku mutacji przed dodaniem wirusa

W jaki sposób transfer genów wpływa na różnorodność mikrobiologiczną?

· Mutacje: błędy podczas replikacji DNA, uszkodzenia DNA

· Błędy w polimerazie DNA i podziale komórek:

- Mutacje zachodzą podczas podziału komórki (kopiowanie DNA)

- Polimeraza posiada funkcję korekty

- Mutacje są rzadkie

- ALE genomy i rozmiary populacji są duże

● Szybka adaptacja: HTG umożliwia mikroorganizmom szybkie pozyskiwanie nowych

cech, takich jak oporność na antybiotyki, zdolność do metabolizowania nowych

substratów, czy wytwarzanie czynników wirulencji.

● Rozprzestrzenianie się cech: HTG prowadzi do szybkiego rozprzestrzeniania się

korzystnych cech w populacjach mikrobiologicznych, co skutkuje zwiększeniem ich

różnorodności.

● Rekombinacja genetyczna: Włączenie obcego DNA do genomu bakterii generuje

nowe kombinacje genów, co znacząco zwiększa zmienność genetyczną i prowadzi

do powstania nowych fenotypów.

● Ewolucja: HTG jest ważnym motorem ewolucji bakterii, umożliwiając im szybką

adaptację do zmieniających się warunków środowiska i zajmowanie nowych nisz

ekologicznych.

● Specjalizacja nisz ekologicznych: HTG prowadzi do powstania mikroorganizmów o

zróżnicowanych zdolnościach metabolicznych i adaptacyjnych, co pozwala im

kolonizować różne siedliska i nisze ekologiczne.

Opisz podstawowe pojęcia i słownictwo związane z symbiozą

Symbioza to bliska i długotrwała interakcja między dwoma różnymi organizmami

biologicznymi. Może przybierać różne formy, które są klasyfikowane na podstawie korzyści

lub strat ponoszonych przez partnerów.

Podstawowe pojęcia i słownictwo związane z symbiozą:

● Symbioza (z greckiego &quot;życie razem&quot;) to współżycie dwóch lub więcej gatunków.

● Gospodarz to większy organizm w symbiozie.

● Symbiont to mniejszy organizm w symbiozie.

● Holobiont to gospodarz i wszystkie jego symbionty razem.

● Rodzaje symbiozy ze względu na skutki dla partnerów:

○ Mutualizm (+/+) – obie strony odnoszą korzyści. Może być obligatoryjny,

kiedy partnerzy nie mogą przetrwać bez siebie, lub fakultatywny, kiedy mogą

żyć niezależnie.

○ Komensalizm (+/0) – jedna strona czerpie korzyści, a druga nie odnosi ani

korzyści, ani strat.

○ Pasożytnictwo (+/-) – jedna strona (pasożyt) czerpie korzyści, a druga

(gospodarz) ponosi straty.

○ Protokooperacja (+/+) - nieobowiązkowa korzyść dla obu stron.

○ Antagonizm (0/-) - jedna strona ponosi straty, a druga nie odnosi ani

korzyści, ani strat.

○ Drapieżnictwo (+/-) - jeden organizm zjada drugi.

● Symbioza obligatoryjna – symbionty/gospodarze nie mogą żyć bez swojego

partnera.

● Symbioza fakultatywna – symbionty/gospodarze mogą żyć bez swojego partnera.

Omów różnorodne symbiozy między drobnoustrojami a makroorganizmami oraz innymi drobnoustrojami

● Symbiozy metaboliczne:

○ Zbiorowiska kominów hydrotermalnych: Bakterie utleniające siarkę żyją w symbiozie z rurkoczułkowcami. Bakterie te utleniają siarkowodór, dostarczając energię i węgiel rurkoczułkowcom, które nie mają układu pokarmowego.

○ Mikoryzy: Grzyby mikoryzowe tworzą symbiozy z korzeniami roślin, dostarczając im składniki odżywcze (N, P, K) w zamian za cukry. Roślina jest autotrofem, a grzyb heterotrofem.

○ Symbiozy roślin z bakteriami wiążącymi azot: Bakterie z rodzaju Rhizobium wiążą azot atmosferyczny w korzeniach roślin strączkowych, dostarczając im dostępny biologicznie azot, który jest niezbędny do ich wzrostu. Roślina dostarcza bakteriom węgiel.

○ Symbiozy owadów: Owady tworzą różnorodne symbiozy z drobnoustrojami.

Mogą to być:

■ Bakterie ektosymbiotyczne, kolonizujące powierzchnię ciała lub wnętrzności owada.

■ Fakultatywne endosymbionty, kolonizujące tkanki gospodarza.

■ Obligatoryjne endosymbionty, zamieszkujące wyspecjalizowane narządy owada.

■ Organelle komórkowe jak mitochondria i chloroplasty.

○ Symbiozy mszyc: Mszyce mają obligacyjne endosymbionty (Buchnera) oraz fakultatywne endosymbionty, które wpływają na ich cechy życiowe, specjalizację pokarmową i odporność na wrogów.

Kluczowe techniki w biologii molekularnej.

Do kluczowych technik stosowanych w mikrobiologii i biologii molekularnej należą:

PCR (reakcja łańcuchowa polimerazy), elektroforeza, hybrydyzacja DNA, klonowanie, trawienie DNA za pomocą enzymów restrykcyjnych (endonukleaz), sekwencjonowanie oraz synteza DNA (np. oligonukleotydów).

Wpływ osiągnięć innych dziedzin na mikrobiologię

● Inżynieria komputerowa i informatyka:

○ Rozwój oprogramowania do analizy danych sekwencjonowania DNA.

○ Tworzenie baz danych genomowych, które ułatwiają identyfikację

mikroorganizmów i porównywanie sekwencji genetycznych.

○ Opracowywanie algorytmów do analizy filogenetycznej i modelowania

interakcji molekularnych.

○ Umożliwienie analizy dużych zbiorów danych (big data) generowanych

przez sekwencjonowanie nowej generacji (NGS).

● Automatyka i robotyka:

○ Automatyzacja procesów laboratoryjnych, takich jak reakcja PCR, co

zwiększa przepustowość i dokładność analiz.

○ Zastosowanie robotów do wykonywania powtarzalnych zadań, np.

pipetowania, co minimalizuje błędy ludzkie i przyspiesza badania.

○ Automatyczne systemy do hodowli mikroorganizmów i monitorowania ich

wzrostu.

● Elektronika:

○ Opracowanie zaawansowanych mikroskopów, w tym mikroskopów

fluorescencyjnych, które pozwalają na obserwację mikroorganizmów w

czasie rzeczywistym.

○ Tworzenie urządzeń do cytometrii przepływowej (FCM) umożliwiającej

szybką analizę komórek.

○ Konstrukcja urządzeń do elektroforezy, która jest niezbędna w separacji

DNA, RNA i białek.

○ Budowa sekwenatorów DNA nowej generacji (NGS) opartych na

zaawansowanych sensorach.

● Inżynieria materiałowa:

○ Opracowanie nowych materiałów do produkcji mikrochipów

wykorzystywanych w technikach molekularnych.

○ Projektowanie biokompatybilnych materiałów do hodowli komórkowych i

tworzenia biofilmów.

○ Wytwarzanie zaawansowanych probówek i płytek do reakcji PCR i

sekwencjonowania.

● Optyka:

○ Rozwój mikroskopii konfokalnej i mikroskopii elektronowej, która umożliwia

obserwację struktur komórkowych w wysokiej rozdzielczości.

○ Techniki optyczne, takie jak spektrofotometria do pomiaru gęstości

optycznej (OD) kultur bakteryjnych.

○ Wykorzystanie laserów w technikach mikroskopii i jonizacji próbek w

analizie MALDI-TOF.

● Chemia:

○ Synteza enzymów, starterów, sond i innych reagentów wykorzystywanych

w biologii molekularnej.

○ Rozwój metod znakowania biomolekuł za pomocą barwników

fluorescencyjnych.

○ Opracowanie nowych metod ekstrakcji DNA i RNA

co oznacza np. EcoR1?

● EcoRI - enzym restrykcyjny, który tworzy lepkie końce 5’

○ E – pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, z której wyizolowano dany enzym.

W tym przypadku jest to Escherichia.

○ co – pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii. W tym przypadku jest to

coli.

○ R – oznacza nazwę szczepu bakterii, w tym przypadku jest to szczep R.

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● PstI - enzym restrykcyjny, który tworzy lepkie końce 3&#39;.

○ P - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Providencia.

○ st - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, stuartii.

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● SmaI - enzym restrykcyjny, który tworzy tępe końce.

○ S - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Serratia.

○ ma - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, marcescens

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● BamHI

○ B - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Bacillus.

○ am - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, amyloliquefaciens.

○ H – nazwa szczepu bakterii, w tym przypadku szczep H

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● HindIII

○ H – pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Haemophilus.

○ in - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, influenzae.

○ d – nazwa szczepu bakterii, w tym przypadku szczep d.

○ III - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● HaeIII

○ H - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Haemophilus.

○ ae - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, aegyptius

○ III - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● NotI

○ N - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Nocardia.

○ ot - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, otitidis.

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● SalI

○ S - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Streptomyces.

○ al - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, albus.

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● Sau3AI

○ S – pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Staphylococcus.

○ au - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, aureus

○ 3A - nazwa szczepu, w tym przypadku 3A.

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● SexI

○ S - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Streptomyces

○ ex - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, exfoliatus

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

● AluI

○ A - pierwsza litera nazwy rodzaju bakterii, Arthrobacter

○ lu - pierwsze dwie litery nazwy gatunkowej bakterii, luteus

○ I - rzymska cyfra, oznacza kolejność odkrycia i wyizolowania tego enzymu z

danego szczepu bakterii.

Sekwencjonowanie DNA i analiza sekwencji

Sekwencjonowanie DNA to technika określania kolejności nukleotydów w cząsteczce DNA.

● Metody sekwencjonowania:

○ Sekwencjonowanie Sangera: wykorzystuje dideoksynukleotydy (ddNTP).

○ Sekwencjonowanie nowej generacji (NGS): wysokoprzepustowe, umożliwia

badanie złożonych zespołów mikroorganizmów. Przykłady sekwenatorów

NGS: Illumina MiSeq.

○ Sekwencjonowanie nanoporowe: Przykładem jest technologia Oxford

Nanopore, umożliwiająca odczyt na poziomie pojedynczej cząsteczki.

● Analiza sekwencji:

○ Bazy danych: Sekwencje DNA są porównywane z bazami danych (GenBank)

za pomocą algorytmów.

○ BLAST (Basic Local Alignment Search Tool): Algorytm służący do

porównywania sekwencji.

○ OTU (Operational Taxonomic Unit): Algorytm grupowania sekwencji.

○ Analizy filogenetyczne: Wykorzystywane do badania ewolucyjnych powiązań.

Znaczenie drobnoustrojów w naszym jedzeniu

● Fermentacja: beztlenowy rozkład związków organicznych. W wyniku fermentacji cukry są przekształcane w różne produkty, takie jak kwasy organiczne, alkohole i inne związki.

Przykłady fermentacji obejmują:

○ Fermentacja mlekowa: Prowadzi do powstania kwasu mlekowego, wykorzystywana w produkcji jogurtów, serów, kiszonek.

○ Fermentacja alkoholowa: Prowadzi do powstania etanolu, wykorzystywana w produkcji piwa, wina, sake.

○ Fermentacja masłowa, propionowa, kwasów mieszanych i acetonowo-butanolowa: Prowadzi do powstania różnych produktów, w zależności od rodzaju mikroorganizmów i warunków.

● Transformacja mikrobiologiczna: Mikroorganizmy przekształcają żywność, wytwarzając metabolity, które wpływają na jej smak i aromat. W procesie tym powstają również nowe komórki drobnoustrojów.

● Sukcesja ekologiczna: W procesie fermentacji często zachodzi sukcesja ekologiczna, gdzie różne grupy drobnoustrojów pojawiają się w określonej kolejności.

Na przykład, w kiszonej kapuście, na początku rozwijają się bakterie mlekowe, a następnie inne mikroorganizmy, które wpływają na ostateczny smak i aromat produktu.

● Metabolizm pierwotny i wtórny:

○ Metabolizm pierwotny zaspokaja podstawowe potrzeby komórki, takie jak

produkcja energii i synteza niezbędnych składników odżywczych.

○ Metabolizm wtórny prowadzi do powstania metabolitów wtórnych, które nie

są bezpośrednio związane ze wzrostem, ale mogą mieć wpływ na smak,

aromat lub właściwości konserwujące żywności.

● Różnorodność metabolizmu: Mikroorganizmy wykazują różnorodny metabolizm,

który umożliwia im wykorzystanie różnych substratów i adaptację do różnych

warunków środowiskowych.

W jaki sposób sukcesja ekologiczna przyczynia się do rozwoju mikrobiologicznych produktów spożywczych

Sukcesja ekologiczna odgrywa istotną rolę w rozwoju mikrobiologicznych produktów spożywczych, wpływając na ich ostateczny skład, smak i aromat.

Proces ten polega na zmianach w społeczności mikroorganizmów w czasie, gdzie różne grupy drobnoustrojów pojawiają się w określonej kolejności, co jest kluczowe dla powstawania charakterystycznych cech wielu fermentowanych produktów.

Jak wykorzystujemy drobnoustroje w rolnictwie: rola mikrobiomu glebowego

Mikrobiom glebowy: Gleba zawiera ogromną różnorodność mikroorganizmów, w tym bakterie, archeony, grzyby i protisty.

○ Rozkład materii organicznej: Mikroorganizmy rozkładają materię organiczną, uwalniając składniki odżywcze w formie przyswajalnej dla roślin.

○ Obieg składników odżywczych: azotu, fosforu i węgla, które są niezbędne dla wzrostu roślin.

○ Wiązanie azotu: Bakterie takie jak Rhizobium i Azotobacter wiążą azot atmosferyczny, przekształcając go w formę dostępną dla roślin.

○ Mobilizacja fosforu: Niektóre bakterie i grzyby (np. Bacillus, Pseudomonas i grzyby mikoryzowe) zwiększają dostępność fosforu dla roślin.

● Promocja wzrostu roślin (PGPM): Mikroorganizmy glebowe stymulują wzrost roślin i zwiększają ich tolerancję na stresy abiotyczne (np. susza, zasolenie, ograniczona dostępność składników odżywczych).

○ Fitohormony: PGPM regulują wzrost roślin poprzez produkcję fitohormonów, takich jak auksyny, cytokininy i gibereliny.

● Biokontrola szkodników i chorób: Mikroorganizmy są wykorzystywane jako agenty biokontroli przeciwko szkodnikom i patogenom.

○ Grzyby entomopatogenne (np. Beauveria, Metarhizium) infekują i zabijają szkodniki stawonogów.

○ Grzyby nematopatogenne (np. Arthrobotrys, Dactylellina) wykorzystują

specjalne struktury do łapania i zabijania nicieni.

○ Bakterie takie jak Bacillus thuringiensis produkują toksyny działające na owady.

● Degradacja toksyn i zanieczyszczeń: Mikroorganizmy glebowe degradują zanieczyszczenia organiczne, takie jak pestycydy i herbicydy, wspomagając bioremediację gleby.

Narzędzia biotechnologiczne pochodzące od mikroorganizmów

● Horyzontalny transfer genów: umożliwia szybkie rozprzestrzenianie się genów odpowiedzialnych za rozkład zanieczyszczeń, co jest wykorzystywane w bioremediacji.

● Plazmidy: pozachromosomalne elementy genetyczne, są wykorzystywane jako wektory do wprowadzania pożądanych genów, np. genów kodujących enzymy rozkładające zanieczyszczenia.

● Enzymy restrykcyjne: (endonukleazy) umożliwiają cięcie DNA w specyficznych miejscach, co jest wykorzystywane w inżynierii genetycznej do modyfikacji mikroorganizmów w celu zwiększenia ich zdolności do oczyszczania ścieków.

● Odwrotna transkrypcja: Enzym odwrotna transkryptaza pozwala na syntezę DNA na matrycy RNA, co jest wykorzystywane w analizie mikroorganizmów obecnych w ściekach.

● Replikacja DNA: pozwala na namnażanie specyficznych fragmentów DNA, co ułatwia identyfikację mikroorganizmów w ściekach i badanie ich właściwości.

● CRISPR-Cas: System CRISPR-Cas, który jest systemem obronnym bakterii przeciwko wirusom, jest wykorzystywany w biotechnologii jako narzędzie do edycji genów, umożliwiając modyfikację mikroorganizmów w celu zwiększenia ich efektywności w oczyszczaniu ścieków.

Technologia oczyszczania ścieków.

● Biodegradacja: Proces ten prowadzi do mineralizacji zanieczyszczeń, czyli przekształcenia związków organicznych w substancje nieorganiczne, takie jak woda i dwutlenek węgla.

● Oczyszczanie biologiczne - osad czynny

● Bioremediacja zanieczyszczonych wód i gleb.

● Bioaugmentacja: W procesie tym dodaje się do ścieków mikroorganizmy o specyficznych zdolnościach rozkładania zanieczyszczeń, aby przyspieszyć proces oczyszczania.

● Usuwanie biogenów: Mikroorganizmy są wykorzystywane w procesach usuwania biogenów ze ścieków, np. azotu i fosforu. Procesy te są kluczowe w zapobieganiu eutrofizacji wód.

● Produkcja biogazu: Podczas rozkładu substancji organicznych w ściekach przez mikroorganizmy powstaje biogaz (metan), który może być wykorzystany jako źródło energii.

Budowa bakterii G+ i G-, zmiany barwy w trakcie barwienia różnicującego

● Bakterie Gram-dodatnie (G+):

○ Posiadają jedną błonę komórkową i grubą ścianę komórkową zbudowaną z peptydoglikanu.

○ W barwieniu Grama zabarwiają się na fioletowo

● Bakterie Gram-ujemne (G-):

○ Posiadają dwie błony komórkowe (wewnętrzną i zewnętrzną) oraz warstwę peptydoglikanu w przestrzeni periplazmatycznej między błonami.

○ W barwieniu Grama zabarwiają się na różowo/czerwono

Czym różni się budowa błon u archeonów?

Archeony to głównie ekstremofile, nie infekują organizmów

Błony u archeonów:

● Archeony zazwyczaj posiadają jedną błonę komórkową.

● Błony archeonów różnią się od bakterii i eukariontów budową ściany komórkowej (brak mureiny) oraz obecnością eterów, rozgałęzionych nienasyconych kwasów tłuszczowych i glicerolu przy jednoczesnym braku fosfolipidów w błonie komórkowej.

● Niektóre archeony posiadają monowarstwę lipidową zbudowaną z tetraglicerolu, co zapewnia większą stabilność w ekstremalnych warunkach.

● Ściana komórkowa archeonów może składać się z warstwy S (białkowej)

Przedstaw schematycznie i opisz trzy procesy prowadzące do wymiany materiału genetycznego pomiędzy bakteriami (transformacja , koniugacja, transdukcja)

Transformacja:
- DNA środowiskowe przyjęte do komórek
- Może funkcjonować jako plazmidy albo zintegrować się z genomem

Transdukcja:
- Opiera się na ƒạgach
- Wstrzyknięte DNA może:
- kodować więcej ƒạgów lub
- zintegrować się z chromosomem gospodarza lub
- występować w cytoplazmie jako zewnątrzkomórkowe DNA

Koniugacja:
- Bezpośredni transfer DNA pomiędzy komórkami
- Wymaga plazmidu koniugacyjnego i pilusa

Sposoby poruszania się bakterii i czynniki wpływające na ruch

Sposoby poruszania się bakterii:

• Ruch wiciowy/wirowy (organ ruchu bakterii składa się z tylko 1 mikrotubuli)

• Ruch z użyciem rzęsek

• Ruch z użyciem pilusów

• Ruch ślizgowy/ameboidalny

• Ruch drgający

• Ruch rotacyjny z użyciem wewnętrznych rzęsek

Czynniki wpływające na ruch:

• Temperatura

• Substancje odżywcze - chemotaksja

• Lepkość

Komunikacja pomiędzy bakteriami; znaczenie dla tworzenia biofilmu

Komunikacja między bakteriami (quorum sensing):

● Bakterie komunikują się za pomocą cząsteczek sygnałowych (autoinduktorów).

● Gdy stężenie autoinduktorów osiągnie pewien próg (kworum), aktywowane są określone geny i procesy.

● N-acylowane laktony homoseryny (AHL) są przykładem cząsteczek QS.

Znaczenie w tworzeniu biofilmu:

● Wydzielanie EPS (substancji pozakomórkowych): Komunikacja kworum indukuje wydzielanie substancji pozakomórkowych, które tworzą macierz biofilmu.

● Nieodwracalne przywieranie do podłoża: Cząsteczki sygnałowe powodują, że bakterie trwale przywierają do podłoża.

● Zróżnicowanie komórek: Komunikacja kworum wpływa na zróżnicowanie komórek w biofilmie i tworzenie struktur przestrzennych.

Przedstaw i opisz wzrost wykładniczy i czas generacji u bakterii

1. Faza zastoju - dostosowanie metabolizmu do środowiska, przygotowanie do proliferacji

2. Faza przyspieszonego wzrostu - intensywny wzrost i podziały

3. Faza wzrostu logarytmicznego / rzeczywistego wzrostu hodowli - intensywne podziały i metabolizm, komórki najbardziej narażone na działanie czynników zewnętrznych

4. Faza zwolnionego wzrostu - komórki maleją, mniej replikacji, zwiększony udział martwych komórek

5. Faza stacjonarna / idiofaza - liczba komórek utrzymuje podobny poziom, możliwe wyczerpanie zasobów pokarmowych, niewiele podziałów

6. Faza zamierania - spada biomasa, wytwarzane przetrwalniki, udział martwych komórek wzrasta

Wzrost synchroniczny komórek

Wtedy gdy wszystkie komórki są w tym samym etapie cyklu komórkowego, osiągalne z użyciem niskiej temperatury

Przedstaw schematycznie tworzenie spor i endospor; u jakich organizmów występują?

Wymień sposoby oceny liczebności bakterii przedstawiając je schematycznie, omów zalety i wady.

Metody bezpośrednie:

● Komora Petroffa-Haussera:

○ Schemat: Liczenie komórek w wyznaczonych kwadratach komory.

○ Zalety: Szybka metoda, umożliwia liczenie zarówno żywych, jak i martwych komórek.

○ Wady: Trudność w odróżnieniu komórek od zanieczyszczeń, nie nadaje się do liczenia komórek w niskich stężeniach.

● Komora Coultera:

○ Schemat: Pomiar zmian napięcia prądu elektrycznego w wyniku przejścia roztworu soli fizjologicznej z bakteriami przez generator.

○ Zalety: Automatyczna metoda, pozwala na szybkie zliczenie dużej liczby komórek.

○ Wady: Nie rozróżnia komórek żywych od martwych, może być zakłócona przez zanieczyszczenia.

● Mikroskopowe liczenie bezpośrednie

○ Schemat: Liczenie wybarwionych komórek pod mikroskopem.

○ Zalety: Możliwość bezpośredniej obserwacji komórek.

○ Wady: Wymaga wprawy, czasochłonne, trudność w odróżnieniu komórek żywych od martwych.

Metody pośrednie:

● Metoda rozcieńczeń seryjnych:

○ Schemat: Wieloetapowe rozcieńczanie zawiesiny bakterii, a następnie wysiew na płytki. Po inkubacji liczenie wyrosłych kolonii i obliczenie liczby komórek w wyjściowej próbie.

○ Zalety: Umożliwia określenie liczby żywych komórek, powszechnie stosowana.

○ Wady: Czasochłonna, wymaga dużej ilości sprzętu, nie zawsze daje pewność, czy uzyskana kolonia pochodzi z jednej komórki. Metoda ta jest rzadziej wykorzystywana.

● Ważenie po odwirowaniu:

○ Schemat: Określenie suchej masy bakteryjnej po odwirowaniu i wysuszeniu.

○ Zalety: Prosta metoda, pozwala na pomiar biomasy.

○ Wady: Nie rozróżnia komórek żywych od martwych, nie nadaje się do pomiaru w niskich stężeniach.

● Filtrowanie i suszenie:

○ Schemat: Próba jest filtrowana przez filtr o określonej wielkości porów, a następnie osuszana.

○ Zalety: Prosta metoda, pozwala na koncentrację bakterii.

○ Wady: Nie rozróżnia komórek żywych od martwych.

● Chemiczna analiza składników komórkowych:

○ Schemat: Pomiar zawartości składników komórkowych, np. azotu.

○ Zalety: Umożliwia pomiar biomasy bakteryjnej, nie wymaga hodowli.

○ Wady: Nie rozróżnia komórek żywych od martwych, może być zakłócona przez zanieczyszczenia.

● Pomiar ogólnej zawartości węgla:

○ Schemat: Rozpuszczenie próbki w silnie utleniającym odczynniku i pomiar ilości zredukowanego produktu jako miary zawartości węgla.

○ Zalety: Umożliwia szybki pomiar biomasy.

○ Wady: Nie rozróżnia komórek żywych od martwych.

Porównaj termofile i hipertermofile, jakie organizmy dominują te grupy, czym się różnią.

Temperatura wpływa na rozwój bakterii. Każdy ich rodzaj ma optymalną dla siebie temperaturę, w której wszelkie procesy metaboliczne są najbardziej wydajne.

Przedstaw schematycznie mechanizmy działania antybiotyków i oporności na nie u bakterii.

1. Aktywny transport antybiotyku poza komórkę

2. Zmiana miejsca uchwytu antybiotyku

3. Brak miejsca uchwytu antybiotyku

4. Zmiana metabolizmu

5. Deaktywacja antybiotyku

6. Blokada transportu antybiotyku

7. Zwiększenie stężenie inaktywowanego enzymu

MECHANIZMY oporności na antybiotyki kodowane przez geny plazmidowe:

1. beta laktamowe - synteza beta laktamaz - enzymów, które niszczą hydrolityczne antybiotyki

2. chloramfenikol - synteza enzymu acylującego chloramfenikol, powodując jego inaktywację

3. aminoglikozydy - synteza jednego z enzymów, które inaktywują antybiotyki przez acylacje, fosforylację lub adenylację

4. tetracyklina - synteza białek błonowych, które wypompowują antybiotyki z komórki zanim zaczną działać na rybosomy

5. erytromycyna - synteza enzymu, który metyluje bakteryjny 235 rybosomowy RNA; metylacja rybosomów nie dopuszcza do wiązania antybiotyków

Na czym polega unikalny charakter bakterii i archeonów

• Asymilacja N2 atmosferycznego

• Synteza B12

• Fotosynteza bez chlorofilu

• Korzystanie z energii związków nieorganicznych

• Związki nieorganiczne jako akceptor elektronów zamiast O2

• Wzrost w warunkach beztlenowych

• Wzrost powyżej 80 C

Jakie organizmy mają zdolność asymilacji azotu atmosferycznego, wymień kilka przykładów, omów symbiozy związane z tym procesem.

1. Bakterie glebowe:

○ Rhizobium – bakterie symbiotyczne żyjące w korzeniach roślin motylkowatych.

2. Sinice:

○ Anabaena – sinice występujące w wodach i glebach, żyjące często w symbiozie z innymi organizmami.

○ Nostoc – sinice, które mogą tworzyć symbiozy z grzybami lub roślinami.

Jakie organizmy powodują zakwity wody i gdzie występują?

Fitoplantkon - sinice, okrzemki, zielenice, wiciowce etc.

Występują w zbiornikach strefy umiarkowanej wiosną i jesienią, gdzie stosunek N/P jest niski

Kolumna Winogradskiego - opis schematu

Sukcesja w przewodach pokarmowych zwierząt i ludzi i zasiedlające je organizmy

Organizmy zasiedlające przewód pokarmowy:

● Mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka obejmuje bakterie, grzyby i pierwotniaki.

● Występują tam zarówno bezwzględne beztlenowce, jak i względne tlenowce.

● Najczęściej spotykane mikroorganizmy to bakterie o działaniu korzystnym, które stymulują pracę układu pokarmowego i hamują wzrost drobnoustrojów chorobotwórczych.

● Do korzystnych bakterii zaliczamy m.in. Lactobacillus.

● U zwierząt roślinożernych występują bakterie rozkładające celulozę, umożliwiające wchłanianie pokarmu roślinnego.

● U niektórych ptaków występują bakterie Microcoscus rozkładające wosk oraz Candida rozkładające kwasy tłuszczowe.

● U człowieka w jelitach mogą występować np. bakterie Edvardsiella i Proteus.

● W przewodzie pokarmowym termitów można spotkać pierwotniaki.

Czynniki sterylizacji i mechanizmy działania

Czynniki sterylizacyjne wywołują w komórkach nieodwracalne zmiany, takie jak koagulacja, denaturacja i utlenienie substancji białkowych, co prowadzi do zniszczenia komórek.

Czynniki sterylizacyjne i ich mechanizmy działania:

● Wyżarzanie:

○ Polega na działaniu płomienia palnika na metalowe przedmioty, np. ezy używane do posiewów mikrobiologicznych.

● Sterylizacja suchym, gorącym powietrzem:

○ Wykorzystuje wysoką temperaturę (np. 160°C przez 2 godziny).

○ Stosowana do sterylizacji szkła laboratoryjnego, materiałów odpornych na wysokie temperatury i materiałów nieodpornych na wilgoć, takich jak proszki lub gleby.

○ Powoduje denaturację białek i innych ważnych struktur komórkowych.

● Sterylizacja parą wodną pod ciśnieniem (autoklawowanie):

○ Zabija zarówno formy wegetatywne, jak i przetrwalniki bakterii.

○ Powoduje hydrolizę, denaturację i koagulację białek i innych struktur komórkowych.

● Sterylizacja radiacyjna:

○ Wykorzystuje promieniowanie jonizujące (np. gamma, rentgenowskie).

○ Powoduje powstawanie rodników hydroksylowych, które atakują makrocząsteczki i rozrywają nici DNA.

○ Jest skuteczna nawet w małych dawkach, ponieważ mikroorganizmy mają pojedynczą cząsteczkę DNA.

○ Stosowana do sterylizacji żywności i stałych materiałów, zabija większość bakterii i prawie nie obniża wartości odżywczych.

○ Wykorzystuje się też promieniowanie UVC do bezpiecznej dezynfekcji bez wytwarzania ciepła i substancji toksycznych.

● Filtracja:

○ Wykorzystuje filtry o odpowiedniej wielkości porów, które zatrzymują mikroorganizmy.

○ Stosowana do sterylizacji płynów i roztworów wrażliwych na wysoką temperaturę.

● Substancje chemiczne:

○ Niektóre substancje, takie jak alkohole, aldehydy, związki fenolowe, czy kwas nadoctowy, wykazują działanie sterylizacyjne.

○ Mechanizm ich działania polega na denaturacji białek, rozpuszczaniu błon lipidowych oraz utlenianiu składników komórkowych.

● Tyndalizacja:

○ Szczególna forma pasteryzacji polegająca na 2-3 krotnym przeprowadzeniu pasteryzacji z przerwami.

○ Pozwala na zabicie form wegetatywnych, a następnie, po odczekaniu aż przetrwalniki przejdą w formy wegetatywne, ponowne ich zniszczenie.

Wartość D10 (czas dziesięciokrotnej redukcji) jest używana do określenia stopnia uśmiercenia populacji w danych warunkach, określając czas potrzebny do zabicia 90% komórek.

Wirusy, opisz budowę i przedstaw schematycznie wnikanie do komórek i namnażanie

Przykłady symbioz eukariotycznych mikroorganizmów

• Mikoryza

• Symbioza bruzdnic z koralowcami

• Pierwotniaki w jelitach termitów

• Symbioza mszyc z bakteriami

• Protisty i bakterie w przewodach pokarmowych zwierząt

Sposoby ochrony mikroorganizmów (grzybów i bakterii) w warunkach stresu

Bakterie

• Tworzenie endospor - przetrwalników

• Warstwy ochronne

• Mechanizmy naprawy DNA

• Systemy CRISPR/Cas

• Wytwarzanie białek szoku cieplnego

• Przejście w stan uśpienia

• Formacja biofilmu

Grzyby:

• Tworzenie zarodników

• Wytwarzanie melaniny

• Synteza trehalozy

• Tworzenie sklerot - przetrwalników

Izolat aseptyczny

Czysty izolat, bez mikroorganizmów, uzyskiwany przez:

• Sterylizację medium

• Posiew

• Zalewanie agarem

W jaki sposób można konserwować żywność?

● Obróbka termiczna:

○ Pasteryzacja: ogrzewanie do poniżej 100 C (nie zabija przetrwalników)

○ Termizacja: łagodne ogrzewanie (nie zabija niczego)

○ Sterylizacja (zabija przetrwalniki)

● Obniżanie temperatury:

○ Chłodzenie: Spowalnia wzrost mikroorganizmów, zabija niektóre

○ Mrożenie: Zabija większość mikroorganizmów

● Suszenie: Usuwa wodę

● Utrwalanie za pomocą soli: Sól zwiększa ciśnienie osmotyczne w komórkach

● Peklowanie: Dodawanie do mięs mieszanki peklującej (azotany, azotyny, sól, cukier, kwas askorbinowy)

● Kiszenie: Kwas mlekowy utrwala żywność

● Dodawanie konserwantów: Konserwanty działają bakteriostatycznie w małych dawkach

● Zastosowanie wysokiego ciśnienia: Zabija większość mikroorganizmów

● Pakowanie próżniowe: Usuwa tlen

● Metody wykorzystujące promieniowanie: np. UV lub jonizujące

Ryzosfera

Ryzosfera jest częścią gleby, która podlega wpływowi korzeni. Inna definicja – powierzchnia korzenia i otaczająca go gleba.

Ryzosfera to warstwa gleby o grubości 1 – 3 mm, która przylega do powierzchni najmłodszych części korzeni. Warstwa ta zawiera kilkakrotnie więcej mikroorganizmów glebowych niż pozostała część gleby.

Endosymbiozy w otaczającym nas świecie

● Mszyce i bakterie Buchnera: Buchnera dostarcza aminokwasów i witamin, niezbędnych mszycom. Jest to symbioza obligatoryjna.

● Termity i mikroorganizmy jelitowe: Wiciowce u niższych termitów i bakterie u wyższych termitów pomagają w trawieniu celulozy.

● Fakultatywne endosymbionty mszyc: Dodatkowe bakterie, jak Hamiltonella, Regiella, Serratia, wspierają mszyce w obronie i adaptacji.

● Wolbachia: Bakteria manipulująca rozmnażaniem owadów, fakultatywny endosymbiont

Teoria endosymbiozy (mitochondria)

Różnorodność metaboliczna bakterii.

Podział metaboliczny bakterii:

● Autotrofy

○ Chemolitotrofy utleniają związki nieorganiczne

○ Fototrofy przeprowadzają fotosyntezę

● Heterotrofy

○ Organotrofy czerpią energię z rozkładu związków organicznych.

○ Chemoorganotrofy wykorzystują związki organiczne jako źródło energii i węgla.

Procesy metaboliczne:

• Oddychanie

• Fermentacja

• Fotosynteza

• Chemosynteza

Podaj przykłady substratów i produktów w procesie fermentacji.

Fermentacja octowa:

● Substraty: etanol, tlen, aldehyd octowy

● Produkty: kwas octowy, woda.

Fermentacja masłowa:

● Substraty: glukoza

● Produkty: kwas masłowy, CO2, H2, czasami etanol.

Fermentacja propionowa:

● Substraty: pirogronian

● Produkty: kwas propionowy.