Εξελικτική ιστορία των µικροοργανισµών

Ταξινόµηση

• Εξέλιξη είναι η διαδικασία αλλαγής στο γενετικό δυναµικό των πληθυσµών

Κάρολος Δαρβίνος Εξελικτική θεωρία φυσικής επιλογής

On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859)

Εξέλιξη (evolution)

• H µεταβολή που υφίσταται µια σειρά απογόνων µε την πάροδο του χρόνου, η οποία οδηγεί στην εµφάνιση νέων ειδών ή νέων ποικιλιών ενός είδους

Τι είναι η Φυλογένεση:

• Μελέτη ειδών ανάλογα µε τον τρόπο που εξελίχθηκαν.–Με φυλογενετικά µοντέλα καθορίζουµε ποια είναι η σύνδεση που έχουν µεταξύ τους οι διάφορες εξελικτικές σειρές

Η φυλογενετική ανάλυση:

• Χρησιµοποιεί φυλογενετικά δένδρα για να περιγράψει σχέσεις που βασίζονται σε κοινή γενεαλογία.

Σχηµατισ

µός της Γης

Δισεκατοµµύρια χρόνια

Μικροοργανισµοί

Ευκαρυωτικοί

οργανισ

µοί

Σχηµατισµός ατµόσφαιρας Ο2

Μακροσκοπικοί

οργανισ

µοί

Δεινόσαυροι

Ανθρώπινα όντα

0,0 0,51,02,5 2 1,54,5 3,54 3

ΠΩΣ ΞΕΚΙΝΗΣΕ Η ΖΩΗ

Τα κύτταρα εξελίσσονται και εκδηλώνουν νέες βιολογικές ιδιότητες

Τα φυλογενετικά δένδρα δείχνουν τις εξελικτικές σχέσεις µεταξύ των διαφόρωνκυττάρων

Το δένδρο της ζωής

Το δένδρο της ζωής

Eukaryotes are colored red, archaea green and bacteria blue.

Phylogenetic tree showing the relationship between the archaea and other forms of life.

ταξινόµηση

• 3 θεµελιώδεις οµάδες που ονοµάζονται domains (ΕΠΙΚΡΑΤΕΙΕΣ):

• Ευκάρυα (ευκαρυωτικά)• Βακτήρια (πρώην ευβακτήρια)• Αρχαία (πρώην αρχαιοβακτήρια)

Three Domains of Life

Three Domains of Life• Archaea – prokaryotes

living in extreme habitats

Three Domains of Life• Archaea – prokaryotes

living in extreme habitats• Bacteria- Cyanobacteria

and eubacteria

Three Domains of Life• Archaea – prokaryotes

living in extreme habitats• Bacteria- Cyanobacteria

and eubacteria• Eukarya – Protozoans,

fungi, plants, & animals

ΔΟΜΗ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥ ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥ

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ + -

ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ Πολλά, γραµµικά Ενα κυκλικό µόριο DNA

ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ + -

ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Σ ε ό σ α φ ω τ ο σ υ ν θ έ τ ο υ ν η

χλωροφύλλη βρ ί σκ ε τα ι στους

χλωροπλάστες

Μπορε ί να περ ι έ χουν χλωροφύλλη

βακτηριοχλωροφύλλη ή άλλες χρωστικές

αλλά δεν έχουν χλωροπλάστες

ΜΕΜΒΡΑΝΩΔΕΙΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ

(Golgi, ΕΔ, λυσοσώµατα κα)

+ -

Ιστόνες + -

Νουκλεοσώµατα + -

Ριβοσώµατα Μεγαλύτερα

80 S=60S+40S)

Μικρότερα σε µέγεθος

70 S=50S+30S)Στερόλες (συστατικό µεµβράνης) + -

µε εξαίρεση τα µυκοπλάσµαταΜιτωτική συσκευή + -

Μαστίγια, βλεφαρίδες + +

διαφορετικής δοµής- απλούστεραΑντιπροσωπευτικοί οργανισµοί Αλγη, µύκητες, πρωτόζωα Όλα τα βακτήρια (αρχαιοβακτήρια,

κυανοβακτήρια, ρικέτσιες, χλαµύδια)

Χαρακτηριστικά Πρωτόζωα Μύκητες Βακτήρια Ιοί

Κ υ τ τ α ρ ι κ ή

οργάνωση

Ν Α Ι

ευκαρυωτική

Ν Α Ι

ευκαρυωτική

ΝΑΙ

προκαρυωτική

Ακυτταρικές

µοφές ζωής

Β ι ο λ ο γ ι κ ή

οργάνωση

µονοκυτταρική Μονοκυτταρικ

ή

κοινοκυτταρικ

ή

µονοκυτταρική -

Τοίχωµα - Πεπτιδογλυκά

νη

-

Θρέψη Ετερότροφα Ετερότροφα Αυτότροφα ή

ετερότροφα

-

Φωτοσύνθεση - - Ανάλογα µε

την οµάδα

-

Καλλ ι έ ρ γ ε ι α σ ε

συνθετικό υλικό

(ελεύθερο µέσο)

+ + + Υποχρεωτικά

ενδοκυττάρι

ος

παρασιτισµόςΚινητικότητα + - Ανάλογα µε

την οµάδα

-

Αυτονοµ ί α στην

αναπαραγωγή

+ + + -

Τ ύ π ο ς

αναπαραγωγής

Μονογονική Μονογονική Μονογονική Σύνθεση των

συστατικών

του ιού µέσα

σε κύτταρα

Αρχαιοβακτήρια• Προκαρυωτικά µε µεγάλες φυλογενετικές διαφορές από τα βακτήρια

• Το κυτταρικό τοίχωµα, η κυτταρική µεµβράνη και το rRNA είναι διαφορετικά

• Η κυτταρική µεµβράνη έχει λιπίδια που δεν βρίσκονται σε άλλους οργανισµούς

• Δεν έχουν πεπτιδογλυκάνη• Ζουν σε ακραίες θερµοκρασίες και περιβαλλοντικές συνθήκες

• Πιστεύεται ότι σχηµατίσθηκαν στην ηφαιστιογενή περίοδο για να προστατέψουν µικρές µορφές γενετικού υλικού

• Δεν αναπτύσσονται στο Ο2• Χρειάζονται Μεθάνιο και ΝΗ4

Archaebacteria

Archaebacteria• •Διακρίνονται σε 3 οµάδες µε βάση το περιβάλλον που ζουν

• 1)Thermoacidophiles: Ζουν σε εξαιρετικά υψηλές θερµοκρασίες(>100oC!) και όξινο περιβάλλον(pH <2).

• 2)Methanogens(αυστηρά αναερόβια, παράγουνµεθάνιο). Χρησιµοποιούνται στη βιοµηχανία στον καθαρισµό λυµάτων και νερού.

• 3)Extreme Halophiles: Αναπτύσσονται σε ιδιαίτερα υπέρτονες συνθήκες (χρησιµοποιούν αλάτι για την παραγωγή ATP)

They are gram-negative, aerobic, irregularly lobed spherical bacteria with a temperature optimum around 70-80 0C and a pH optimum of 2 to 3. Their cell wall contains lipoprotein and carbohydrates but lacks peptidoglycan.

Extremely thermophilic bacteria

Their most distinctive characteristic is their requirement of a high concentration of sodium chloride for growth. They are aerobic chemoheterotrophs with respiratory metabolism and require complex nutrients, usually proteins and amino acids, for growth.

Extreme halophilic bacteria

Methanogenic bacteria are strict anaerobes that obtain energy by converting C02, H2, formate, acetate, and other compounds to either methane or methane and C02.

Methanogenic bacteria are strict anaerobes that obtain energy by converting C02, H2, formate, acetate, and other compounds to either methane or methane and C02.

C02 + 4 H2

CH4 + 2 H2O

Methanogenic bacteria are strict anaerobes that obtain energy by converting C02, H2, formate, acetate, and other compounds to either methane or methane and C02.

C02 + 4 H2

CH4 + 2 H2O

CH3 C00 H C02 + CH4

Το δένδρο της ζωής

Eubacteria

Βακτήρια

• Προκαρυωτικά• Έχουν κυτταρικό τοίχωµα από πεπτιδογλυκάνη

• Έχουν κυτταρική µεµβράνη γύρω από το κυτταρόπλασµα

• Δεν έχουν πυρηνική µεµβράνη

• Πολλαπλασιάζονται µε απλή διαίρεση

Οι 12 Φυλογενετικές οµάδες Βακτηρίων

12 φυλογενετικές οµάδες “Phyla” µε βάση την εξελικτική τους σχέση, από τις οποίες 5 είναι οι σηµαντικότερες.

Ξεκινούν από κοινό σηµείο εκτός από 3 θερµόφιλες οµάδες

•Το δενδρόγραµµα είναι η γραφική παράσταση του “συντελεστή οµοιότητας” ή “similarity coefficient”.

Οι 5 σηµαντικότερες Φυλογενετικές Οµάδες

• 1)CYANOBACTERIA : Gram-αρνητικά βακτήρια που φωτοσυνθέτουν και ελευθερώνουν Ο2. Είναι πολύ µεγαλύτερα από άλλα προκαρυωτικά, µοιάζουν µε άλγη.

• 2)SPIROCHETES : Gram-αρνητικά, σπειροειδή ετερότροφα βακτήρια

• 3)PROTEOBACTERIA : – α) enteric bacteria, pseudomonads– β) chemoautotrophs(εξάγουν ενέργεια από ανόργανες ουσίες), – γ) nitrogen-fixing bacteria (αζωτοδεσµευτικάβακτήρια): συµβιώνουνµεταφυτά, µετατρέπουντοΝ2 σε αµµωνία, αποτελούν φυσικό λίπασµα στη γεωργία

• 4)CHLAMYDIA: υποχρεωτικά ενδοκυττάρια• 5)GRAM-POSITIVE BACTERIA :

– -υψηλό G+C content: ακτινοµύκητες, µυκοβακτηρίδια, µικρόκοκκοι– -χαµηλό G+C content: streptococci, staphylococci, βάκιλλοι,

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ• Η ταξινόµηση είναι µια µέθοδος οργάνωσης πληροφοριών

• Οµαδοποίηση όµοιων πραγµάτων µεταξύ τους• Με ποιό κριτήριο;;• Διάφοροι τρόποι ταξινόµησης • Υπάρχει «σωστός τρόπος» ταξινόµησης των πραγµάτων;;

• Κλειδί για ταξινόµηση η σύγκριση ακολουθώντας και ιεραρχώντας χαρακτήρες (ιεραρχία)

Taxonomy The Science of Classification

• (a) Classification • (b) Nomenclature • (c) Identification

Μοριακή Φυλογενετική Συστηµατική

• Η επιστήµη που ασχολείται µε τον προσδιορισµό της γενετικής συγγένειας µεταξύ των ειδών

Πρώιµη ταξινόµηση

• Αριστοτέλης:• 3 βασίλεια : ζώα, φυτά και animal,

vegetable and ανόργανη ύλη

• Οι άνθρωποι κατατάχθηκαν µαζί µε τα πτηνά µε κριτήριο : περπατούν στα δυο πόδια.

Συστήµατα βιολογικής ταξινόµησης• Τα πρώτα συστήµατα βιολογικής ταξινόµησης βασίζονται σε εµπειρικό σχεδιασµό

• Φυσικό σύστηµα ταξινόµησης– Τοποθέτηση οργανισµών σε οµάδες ανάλογα µε το βαθµό οµοιότητας.

(Σύστηµα Λινναίου)• Αριθµητική ταξινόµηση

– Μελετώνται 100 ή περισότεροι χαρακτήρες (σαφείς ταξινοµικές ιδιότητες). Τα αποτελέσµατα διαβιβάζονται σε υπολογιστή. Ο υπολογιστής συγκρίνει τα δεδοµένα (data) και δηµιουργείται ένας κατάλογος διαφορετικών οµάδων µε τέτοιο τρόπο, ώστε κάθε οµάδα να ακολουθείται στον κατάλογο από την οµάδα µε την οποία έχει τα περισσότερα κοινά χαρακτηριστικά. Ανάλογα µε τη σύµπτωση του αριθµού των χαρακτήρων στα διάφορα είδη και γένη βρίσκεται ο βαθµός συγγένειας των γενών ή ειδών.

• Φυλογενετικό σύστηµα ταξινόµησης– Ταξινόµηση ανάλογα µε τις εξελικτικές τους σχέσεις.

Microbial Taxonomy

Microbial Taxonomy• The science of classification

Microbial Taxonomy• The science of classification

Microbial Taxonomy• The science of classification

• Provides an orderly basis for the naming of organisms

• Carolus Linnaeus: 18th century Swedish botanist; the Father of Taxonomy– Binomial nomenclature

• Homo sapiens = H. sapiens • Escherichia coli = E. coli

– Hierarchy of taxonomic rank:• Kingdom• Phylum• Class

Βιολογική ταξινόµηση κατά το Λιναίο• Linnaean System• Βιολογικό σύστηµα ταξινόµησης που χρησιµοποιείται σ’ ένα βαθµό και σήµερα µε τροποποιήσεις:

• Φυτά-Ζώα- Μύκητες-µικροοργανισµοί

• Ιεραρχικό σύστηµα κατάταξης • Ξεκινά µε λίγες κατηγορίες στα υψηλά επίπεδα και παραπέρα υποδιαιρέσεις σε κατώτερο επίπεδο:

• ΤΑΞΙΝΟΜΙΚΕΣ ΒΑΘΜΙΔΕΣ• Domain • Kingdom ΒΑΣΙΛΕΙΟ• Phylum ΦΥΛΟ• Class ΚΛΑΣΗ• Order ΤΑΞΗ• Family • Genus • Species

Ονοµασία και Ταξινόµηση µικροοργανισµών• Ο Λινναίος το 19ο αιώνα καθιέρωσε το σύστηµα της επιστηµονικής ορολογίας-ονοµασίας

• Κάθε µικροοργανισµός έχει δύο συνθετικά: το όνοµα του γένους και το όνοµα του είδους

• Οι οικογένειες µε την κατάληξη “-aceae”(στα Ελληνικά“-οειδή”)

ΤΑΞΙΝΟΜΙΚΕΣ ΒΑΘΜΙΔΕΣ

• ΤΑΞΗ (order) : Κατάληξη -ales• ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ (family): Κατάληξη –aceae

– a group of related genera• ΦΥΛΗ (Tribe ) : Κατάληξη -ieae (µερικές φορές)

• ΓΕΝΟΣ (genus)– a group of related species

• ΕΙΔΟΣ (species)– a group of related strains

• Υποείδος (sub‑species)• ΟΜΑΔΑ (group) Περιλαµβάνει αντιπροσώπους µιας οικογένειας µε ένα κοινό χαρακτήρα (πχ ζυµώνουν τη λακτόζη) ή ορότυπους βακτηρίων

Ονοµασία και Ταξινόµηση µικροοργανισµών

• •Kingdom: Eubacteria• •Phylum: Proteobacteria• •Class: γ-proteobacteria• •Order: Enterobacteriales• •Family: Enterobacteriaceae • •genus: Escherichia• •species: E. coli• •Type: βιότυπος ή φαγότυπος ήορότυπος (π.χ.

0157:H7)• •Strain: A853

• Type: set of strains within a species (e.g. biotypes, serotypes, λυσίτυπος)

– Ορότυπος: βασίζεται σε αντιγονικά χαρακτηριστικά :– Salmonella enterica subgroups (>2,463)– E. coli is typed on the basis of its LPS (O157)

• ΣΤΕΛΕΧΟΣ (strain) • one line or a single isolate of a particular

species. – Καθαρό καλλιέργηµα που προέρχεται από µια αποικία του µικροβίου (πχ E.coli K12)

Ονοµατολογία

• Esherichia coli (E. coli)• Klebsiella pneumoniae (K.pneumoniae)• Staphylococcus aureus (S. aureus)• Pseudomonas aeruginosa (P.aeruginosa)• Bacillus anthracis (B.anthracis)• Legionella pneumophila • Ehrlichia phagocytophila• Rickettsia conori• Coxiella pneumoniae

Ονοµατολογία

• Μερικές φορές τα ονόµατα των βακτηρίων αλλάζουν καθώς προκύπτουν νέα δεδοµένα

• Για παράδειγµα: την τέλευταία 10ετία : • Pseudomonas solanacearum -->

Burkholdaria solanacearum --> Ralstonia solanacearum

Ονοµασία βακτηρίων

• •Staphylococcus aureus• •Περιγράφει τη χωροδιάταξη των κυττάρων

(δίκην σταφυλιού) και το χρυσίζον χρώµα των αποικιών

• •Escherichia coli• •Τιµητικό όνοµα για τον επιστήµονα που ανακάλυψε το βακτήριο, Theodor Eshcerich.

• •Το δεύτερο συνθετικό περιγράφει την περιοχή που εποικίζεται από το συγκεκριµένο βακτήριο, το παχύ έντερο (colon).

Αριθµητική ταξινόµηση Αν σ’ όλους τους φαινοτυπικούς χαρακτήρες δοθεί το ίδιο βάρος, για κάθε ζευγάρι οργανισµών ο υπολογισµός οµοιότητας µπορεί να γίνει µε δυο τρόπους:

• 1) µε τον συντελεστή οµοιότητας που εκφράζεται µε τo λόγο: S1= a /a+b+c– όπου α=αριθµός των χαρακτήρων που συναντάται και στους δυο οργανισµούς– β = ο αριθµός των χαρακτήρων που συναντάται στον πρώτο και απουσιάζει στο δεύτερο

– c= ο αριθµός των χαρακτήρων που απουσιάζει από τον πρώτο και συναντάται στο δεύτερο

• 2) µε το συντελεστή ταιριάσµατος που εκφράζεται µε το λόγο :• S2= a+d/ a+b+c+d• Όπου d= ο αριθµός των χαρακτήρων που εξετάζεται και ο οποίος απουσιάζει και από τους δυο οργανισµούς.

IV Classification Systems

IV Classification Systems

C. Numerical taxonomy

IV Classification Systems

C. Numerical taxonomy

IV Classification Systems

Selection of characters for identification purposes

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ

• Η ταξινόµηση των µικροβίων είναι δυσκολότερη σε σύγκριση µε τους ανώτερους οργανισµούς γιατί αναγνωρίζονται δύσκολα και εµφανίζουν σχετικά µικρές µορφολογικές ιδιότητες για µελέτη. Οι εξελικτικές τάσεις είναι δύσκολο να προσδιοριστούν.

• Είδος: Μονάδα ταξινόµησης• Η έννοια της βασικής µονάδας ταξινόµησης του είδους είναι αρκετά σύνθετη. • Γενικά το είδος είναι ένα σύνολο ατόµων ή στην περίπτωση των µικροοργανισµών ένα

σύνολο κλώνων, που διακρίνονται από τις πολλές οµοιότητες που έχουν τα άτοµα µεταξύ τους, και από τις σηµαντικές διαφορές που παρουσιάζουν από τα άτοµα άλλων συγγενικών οµάδων.

• Στους µικροοργανισµούς δεν µπορεί να εφαρµοστεί ο βιολογικός ορισµός του είδους που ισχύει για τους οργανισµούς που αναπαράγονται µε αµφιγονία, σύµφωνα µε τον οποίο ως είδος ορίζεται µια οµάδα φυλετικά αναπαραγώµενων φυσικών πληθυσµών οι οποίοι είναι αναπαραγωγικά αποµονωµένοι από άλλες τέτοιες οµάδες.

ΦΑΙΝΟΤΥΠΙΚΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ• H ταξινόµηση των βακτηρίων ήταν αρχικά αποκλειστικά φαινοτυπική. Βασίστηκε στην αρχή αποκλειστικά σε µορφολογικά, δοµικά βιοχηµικά χαρακτηριστικά και σε κάποιες περιπτώσεις σε κλινικά οικολογικά κριτήρια.

• Για τη φαινοτυπική ταξινόµηση, επιλέγονται χαρακτήρες που είναι διαφοροποιητικοί και διατάσσονται µε τέτοιο τρόπο ώστε ένας οργανισµός να µπορεί να ταυτοποιηθεί εύκολα (κλειδιά, αλγόριθµοι).

• Όµως οι οργανισµοί που κατατάσσονται µαζί δεν είναι αναγκαστικά συγγενείς από φυλογενετική άποψη. Καταχωρούνται µαζί γιατί έχουν κοινή µια εύκολα αναγνωρίσιµη και ανιχνεύσιµη ιδιότητα.

•

ΦΑΙΝΟΤΥΠΙΚΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΜορφολογία (σχήµα, µέγεθος, έλυτρο κλπ)• Κινητικότητα • Χρώση ( Gram, Ziehl-Neelsen για τα οξεάντοχα)• Δοµή : Παρουσία ή απουσία ορισµένων µορφολογικών δοµών • Σχηµατισµός σπορίων • Καλλιεργητικοί χαρακτήρες • Καλλιέργεια σε τεχνητά θρεπτικά υλικά (παρατήρηση αποικιών, µορφή, οσµή, χρώµα, παραγωγή χρωστικής)

• Απαιτήσεις διατροφής• Αναπνοή (αερόβιο, αναερόβιο, δυνητικά αναερόβιο)• Μεταβολισµός : Χρησιµοποίηση της γλυκόζης (ή άλλων απλών σακχάρων)- ζυµωτικός ή µη ζυµωτικός µεταβολισµός

• Φυσιολογικοί και βιοχηµικοί χαρακτήρες • Θερµοκρασία ανάπτυξης• Αριστο ΡΗ

TAXONOMY

GRAM-POSITIVE COCCI

The Gram-positive cocci are grouped together based on their Gram-stain reaction, thick cell wall composition, and spherical shape. Most of the organisms in these groups are members of the Micrococcaceae family Micrococcus , Staphylococcus , Streptococcus and Enterococcus (formerly a species of Streptococcus)

Fatty acid analysis. Note: 10:0, 12:0, 16:0, and 19:0 indicate saturated fatty acids with 10, 12, 16, and 19 carbons; 16:1 and 18:1, monounsaturated 16-carbon and 18-carbon fatty acids; omega number, the position of the double bond relative to the omega end—that is the hydrocarbon end (not the carboxyl end)—of the fatty acid chain; cis and trans, the configuration of the double bond. For example, omega 7 cis indicates a cis double bond between the seventh and eighth carbons from the omega end of the fatty acid. Also, 2OH indicates a hydroxyl group at the second carbon from the omega end; cyclo omega 8, a cyclo-carbon at the eighth position from the omega end. The 18:1 omega 7 cis, omega 9 trans, and omega 12 trans peak results from either one fatty acid or a mixture of fatty acids with double bonds at the three positions indicated (the chromatographic column does not separate these three fatty acids).

Fatty acid methyl ester (FAME) chromatogram of an unknown species, showing chromatographic column retention times and peak heights

Search for Evolutionary Relationship in Prokaryotes

DNA Hybridization

Phage Typing

DNA Sequence

r

• Genetic homology:• base composition• DNA sequencing• DNA hybidization• protein profile

•Ribosomal comparison

Μέθοδος προσδιορισµού της ποσότητας ( % σύστασης) G+C στο ολικό DNA

• Η % σύσταση σε G+C του ολικού DNA αποτελεί ιδιαίτερο ταξινοµικό κριτήριο.

• Στους προκαρυωτικούς οργανισµούς το G+C ποικίλλει από 25 µέχρι 80%. Η διαφορά στην περιεκτικότητα των βάσεων στο DNA δυο οργανισµών αντικατοπτρίζει µεγάλο αριθµό διαφορών στις αλληλουχίες των βάσεων, και αντανακλά διαφορές στα αµινοξέα. Σ’ αυτή την περίπτωση, οι οργανισµοί είναι αποµακρυσµένοι φυλογενετικά.

• Για να θεωρηθούν δυο οργανισµοί στενά συγγενείς πρέπει να εµφανίζουν υψηλό βαθµό οµοιότητας στην περιεκτικότητα τους σε G+C

– Όµως, το παραπάνω κριτήριο δεν είναι πάντα απόδειξη συγγένειας, γιατί µερικές φορές συµπίπτει σε εντελώς άσχετα µεταξύ τους βακτήρια.

– Δυο οργανισµοί µε πανοµοιότυπη περιεκτικότητα µπορεί να διαφέρουν πολύ ως προς την αλληλουχία των βάσεων τους ή αντίθετα συγγενή είδη µε βάση τη φαινοτυπική ταξινόµηση (πχ οι gram θετικοί κόκκοι των γενών Staphylococcus και Micrococcus) να διαφέρουν πολύ ως προς το ποσοστό C+G του DNA τους.

DNA base composition rangeRange of mol % G + C content among various groups of organisms. Note the broad range of GC ratios for bacteria in comparison to plants and animals and other eukaryotes.

Tm and DNA base compositionGraph showing the direct relationship between mol % G + C and midpoint temperature (Tm) of purified DNA in thermal denaturation experiments.

Υβριδισµός νουκλεινικών οξέων • Ένα διάλυµα DNA µε θέρµανση µπορεί να µετατραπεί σε

µονόκλωνη κατάσταση (αποδιάταξη). • Στη συνέχεια αν ψυχθεί µε γρήγορο ρυθµό το DNA διατηρείται στην κατάσταση αυτή, αν όµως η ψύξη γίνει αργά και διατηρηθεί 100-300 C κάτω από την τιµή της θερµοκρασίας τήξης (Τm) επαναδηµιουργούνται τα δίκλωνα µόρια, γίνεται δηλαδή επανασύνδεση (reannealing) του DNA.

• Μίγµα µορίων DNA που προέρχονται από δυο στελέχη συγγενών βακτηρίων σχηµατίζουν υβρίδια µόρια, ενώ DNA από βακτήρια που δεν συγγενεύουν δεν σχηµατίζουν υβριδικά µόρια (παρά µόνο σε περιοχές που υπάρχει οµολογία).

DNA melting curveMelting curve for a double-stranded DNA molecule. As the temperature is raised during the experiment, the double-stranded DNA is converted to the single-stranded form and the UV absorbance of the solution increases. The midpoint temperature, Tm, can be calculated from the curve. This process is reversible if the temperature of the solution is slowly lowered to allow the single strands to reanneal.

• Τα τελευταία χρόνια τέθηκαν οι σύγχρονες βάσεις της φυλογενετικής ταξινόµησης µε βάση το 16srRNA

Το µοριακό ρολόι• Zuckerkandl and Pauling, 1962• «Ο ρυθµός εξέλιξης των αµινοξέων της αιµοσφαιρίνης και του κυτοχρώµατος c είναι περίπου ίδιος στα διάφορα είδη θηλαστικών (κρίνοντας από τα απολιθώµατα)»

• Τα δεδοµένα αυτά οδήγησαν στην υπόθεση της ύπαρξης ενός «µοριακού ρολογιού», όπου οι µεταλλάξεις ακολουθούν περίπου σταθερό ρυθµό σε όλες τις γενεαλογίες, για όσο χρονικό διάστηµα το γονίδιο διατηρεί την αρχική του λειτουργία

ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΟ ΡΟΛΟΙ

• Η έννοια του εξελικτικού ρολογιού• Τα βήµατα του ρολογιού ρυθµίζονται από την ταχύτητα µε την οποία εµφανίζονται οι µεταλλάξεις (αλλαγές στο DNA, RNA και πρωτείνες)– Πχ αιµοσφαιρίνες – Η σύγκριση των αλληλουχιών των αµινοξέων έδειξε ότι κάθε πρωτείνη εξελίσσεται µε σταθερή και συγκεκριµένη ταχύτητα

• Μοριακό ρολόι είναι η ταχύτητα µε την οποία αλλάζει το γονιδίωµα

• Ρυθµός εξέλιξης: ο αριθµός των αλλαγών των νουκλεοτιδίων (ή των αµινοξέων) ανά θέση νουκλεοτιδίου (ή αµινοξέος) στη µονάδα του χρόνου.

• Κυτταρικά γονίδια-βακτήρια- DNA ιοί– 10-9 αλλαγές νουκλεοτιδίων/θέση/έτος

• RNA ιοί – 10-2 - 10-4 αλλαγές νουκλεοτιδίων/θέση/έτος

rRNA sequences as a measure of phylogenetic relatedness

• Σύµφωνα µε τον Woese: • Η εξέλιξη έχει ένα ρυθµό που δεν φανερώνεται από τις φαινοτυπικές µεταβολές που υφίσταται ένα είδος αλλά από τη µελέτη αλληλουχίας µορίων που πληρούν ορισµένα κριτήρια :

– Να είναι παρόν σε όλα τα είδη και να παίζει τον ίδιο ρόλο

– Να είναι δυνατός ο προσδιορισµός της αλληλουχία του µε προτυποποιηµένες και σχετικά ταχείες µεθόδους

– Να εξελίσσεται αργά

Με τα κριτήρια αυτά επελέγη το 16S rRNA-based

Ribosomal RNA Genes and Their • Τα περισσότερα προκαρυωτικά έχουν τρία είδη

rRNAs, 5S, 16S and 23S rRNA. • - 50 S ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ (23S και 5S rRNA)

– 30S ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ (16S rRNA )Περιέχουν µεγάλη ποσότητα πληροφορίας αφού είναι η µηχανή βιοσύνθεσης των πρωτεινών

Κατά την εξέλιξη η δοµή τους έχει διατηρηθεί. Κάθε µεταβολή των συστατικών των ριβοσωµάτων συνεπάγεται πολλαπλασιαστικές µεταβολές στις πρωτείνες

Οι αλληλουχίες τους σε ορισµένες περιοχές είναι συντηρηµένες και σε άλλες εξελλίσσονται ταχύτερα

16S RNA

Secondary structure of the 16S rRNA molecule from the small ribosomal subunit of the bacterium Escherichia coli. The bases are numbered from 1 at the 5' end to 1,542 at the 3' end. Every tenth nucleotide is marked with a tick mark, and every fiftieth nucleotide is numbered. Tertiary interactions with strong comparative data are connected by solid lines. From the Comparative RNA Web Site, www.rna.icmb.utexas.edu; courtesy of Robin Gutell.

Conservation and variation in small subunit rRNA

Αυτό το διάγραμμα δείχνει συντηρημένες και μεταβλητές περιοχές της μικρής υπομονάδας rRNA (16S σε προκαρυωτικά ή 18S σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς). Κάθε τελεία και τρίγωνο αντιπροσωπεύει μια θέση που κατέχει ένα νουκλεοτίδιο στο 95% του συνόλου των οργανισμών που αναλύθηκαν παρ’ όλο που η πραγματική παρουσία νουκλεοτιδίων (A, U, C, or G) ποικίλλει μεταξύ των ειδών.www.rna.icmb.utexas.edu

Conservation and variation in small subunit rRNA

The starred region from part A as it appears in a bacterium (Escherichia coli), an archaean (Methanococcus vannielii), and a eukaryote (Saccharomyces cerevisiae). This region includes important signature sequences for the Bacteria and Archaea. Figure by Jamie Cannone, courtesy of Robin Gutell; data from the Comparative RNA Web Site: www.rna.icmb.utexas.edu

Το πρώτο βήµα της φυλογενετικής ανάλυσης είναι η στοίχιση οµολόγων αλληλουχιών (αλληλουχιών µε κοινή

προγονική αλληλουχία)

• Ένα φυλογενετικό δένδρο είναι η γραφική αναπαράσταση της εξελικτικής συσχέτισης µεταξύ των οργανισµών ή διαφόρων οµάδων ταξινόµησης

Το φυλογενετικό δένδρο αποτελείται από κόµβους που συνδέονται µε γραµµές διακλάδωσης. Μια οµάδα που µοιράζεται κοινό πρόγονο ονοµάζεται Μονοφυλετική οµάδα ή κλάδος

Φυλογενετικά δένδρα

• Τοπογραφικές σχέσεις: δηλ κάθε κόµβος (κλαδί) δείχνει τον κοινό πρόγονο

• Σχέσεις οµοιότητας : τα πιο κοντινά είδη (συγγενικά) βρίσκονται πλησιέστερα στο δένδρο

• Χρονολογικές σχέσεις: η απόσταση (µήκος) µεταξύ των κόµβων ισοδυναµεί µε τη χρονική διάρκεια εξέλιξης

• Κλαδόγραµµα• αναπαραστά τη φυλογενετική σχέση µεταξύ των ειδών

• δείχνει τη σειρά διακλάδωσης. • Το µήκος των κλαδιών είναι άνευ σηµασίας• ΠΑΡΑΔΟΧΗ : η ταχύτητα εξέλιξης είναι σταθερή

• Φυλόγραµµα δείχνει τη σειρά και το µήκος των κλαδιών

Phylogenetic Tree

• A και B εµφανίζουν την πιο πρόσφατη κοινή γενεαλογία. Άρα A, B είναι τα πιο στενά συγγενικά είδη

• Το C είναι συγγενικό µε Α και Β

• Ο πιο µακρινός κοινός πρόγονος των A, B , C είναι ο D.

16S rRNA-based phylogenetic tree

• 3 (identified) lineages diverge from a common ancestral lineage on the far left.

• Ta µήκη των γραµµών αντανακλούν την ποσότητα των αλλαγών στις αλληλουχίες (note that some lineages have modified the gene sequence more than others, and thus have accumulated longer total branch lengths).

Universal phylogenetic tree as determined from comparative ribosomal RNA sequencing.

Detailed phylogenetic tree of the major lineages (phyla) of Bacteria based on 16S ribosomal RNA sequence

comparisons

Detailed phylogenetic tree of the Archaea based on 16S ribosomal RNA sequence comparisons.

Novel phyla discovered by molecular analysis of natural habitats

A phylogenetic tree of 16S rDNA sequences of Bacteria, based on pure cultures and clonal libraries from natural samples. Note the existence of many phyla (shown in outline rather than as solid black lines) that have not yet been cultivated.

23 main groups or phyla based on their branching patterns in the 16S rRNA trees.

the Proteobacteria phylum is presently divided into 5 subdivisions or Classes namely the α, β, γ, δ and ε proteobacteria.

Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology: guide • •Η 1ηέκδοση το 1923: χρησιµοποιεί µορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά. ‘key features’

• •Η 9η έκδοση σήµερα: µεγάλη αναδιοργάνωση στην ταξινόµηση. Πρωταρχική έµφαση στα φυλογενετικά χαρακτηριστικά.

• •5 τόµοι µε τίτλους: 1)The Archaeaand Phototrophic Bacteria, 2) The Proteobacteria, 3) The low G+C Gram-positive, 4) The high G+C Gram-positive, 5) The Planctomyces, Spirochaetes, Fibrobacters, Bacterioidetes and Fusobacteria

• Οι κανόνες καθορίζονται από το “International Code for the Nomenclature of Bacteria” και οι ονοµασίες γίνονται αποδεκτές από το “International Committee of Systematic Bacteriology”.

David H. Bergey(1860-1937)

Bergey’s Manual

“Master reference” on identification of bacteria

Section: Example of Genus: Habitat:Spirochaetes Treponema Parasites of animalsMicroaerophilic Gram-negative curved rods

Spirillum Aquatic, animal parasites

Aerobic Gram-negative rods Pseudomonas Soil, water, animal parasitesFacultatively Anaerobic Gram-negative rods

Salmonella Intestinal tracts, animal parasites

Anaerobic Gram-negative rods Bacteroides Animal, insect parasites

Sulphate reducers Desulfovibrio Anoxic sediments

Anaerobic Gram-negative cocci Veillonella Animal intestines

Rickettsias, Chlamydias Rickettsia Arthropods, animal parasites (obligate intracellular)

Mycoplasma Mycoplasma Animal, plant parasites, no cell wall

Endosymbionts Holospora Symbionts of protozoans, insects, plants

Gram-positive cocci Staphylococcus Animal pathogensEndospore formers Bacillus Soil, animal pathogens

Regular Gram-positive rods Lactobacillus Dairy products, animal intestines

Irregular Gram-positive rods Corynebacterium Soil, animal pathogensMycobacteria Mycobacterium Soil, plants, animal pathogensNocardioforms Nocardia SoilAppendaged bacteria Caulobacter Aquatic, soilSheathed bacteria Sphaerotilus AquaticSliding bacteria Cytophage AquaticFruiting bacteria Myxococcus SoilAerobic lithotrophs Nitrobacter Soil, waterArchaeobacteria (archaea) Halobacterium Extreme environmentsAnoxygenic phototrophs Chromatium WatersOxygenic phototrophs Anabaena Soil, waterActinomycetes Streptomyces Soil

Summary of bacterial groups (From Bergey's Manual of Systematic Bacteriology):

Practical taxonomy

Mycoplasma, Ureaplasma, ChlamydiaRicketsiaceae

Spirochetales - Spirochetes, Leptospira, BorreliaMycobacterium

Nocardia , Actinomycetes,

Miscellanous bacteria

II Microbial Evolution and Diversity

III Taxonomic Ranks