TAXONOMIE MIKROORGANISMŮ

VÝVOJ ŽIVOTA4,5 miliardy let – vznik Země4 miliardy let – náznaky života, samoreplikující se RNA3,9 miliardy let – primitivní buňky3 miliardy let – oxygenní fotosyntéza2,1 miliardy let – eukaryotická buňka1 miliardy let – mnohobuněčné organismy

M. Sedlářová (Katedra botaniky PřF UP v Olomouci) 2010

STUDIUM EVOLUCE

Tradičně morfologické znaky, u mikroorganismů problém (mnoho druhů, málo znaků)

Srovnávání sekvencí NKRychlé dělení mikroorganismů – evoluční procesy „v baňce“

Srovnání velkých sérií znaků (50-500)kvantitativní (velikost)kvalitativní (přítomnost znaku, typ znaku)

Vyhodnocení podobností

PŘÍBUZNOST MIKROORGANISMŮ

Mikro-organismus 1

2přítomnost

znaku ANO NE

ANO a bNE c d

SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ

• Koeficient prosté shody (Simple Matching coefficient)

• Jaccardův koeficient (nezahrnuje znaky, které nemá ani jeden organismus)

dcbadaSSM +++

+=

cbaaSJ ++

=

SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ

Na základě koeficientů je možné vytvářet:– umělé skupiny organismů (fenony) zahrnující všechny

mikroorganismy, které jsou si podobné z více než X%– stromy podobnosti – vzdálenost větví vyjadřuje míru příbuznosti

SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ

Mutace – změny v sekvenci DNA se odráží ve změnách vlastnostíSelekce – eliminace nebo fixace nových znaků

Podobnější sekvence = příbuznější mikroorganismy

Geny - evoluce ve skupině MO- konzervativní geny (např. cytoskeletální proteiny)

Nekódující sekvence DNA (introny)- mutace jsou neutrální

Ribozomální RNA- všechny organismy- obvykle nekódující sekvence – mutace jsou neutrální

SROVNÁNÍ PŘÍBUZNOSTI MIKROORGANISMŮ

STROM ŽIVOTA - rRNARibozómy u všech organismů

Sekvence rRNA umožnily zkonstruovat univerzální strom života zahrnující všechny organismy

nová doména Archeapotvrzení endosymbiotické hypotézy?

Společný předek

BacteriaArchea

Eukarya

RostlinyHouby

Živočichové

TAXONY

Česky Latinsky Anglicky

doména regio domainříše regnum kingdomkmen phyllum phylumoddělení division divisiontřída classis classřád ordo orderčeleď familia familyrod genus genusdruh species species

U bakterií bývá obtížné vymezit rod a druh, používání vyšších taxonů problematické

FYLOGENEZE A SYSTÉM BAKTERIÍ A ARCHAEBAKTERIÍ

Fylogenetický strom podle Rosypala (2003)

Archaea- odlišnosti od bakterií i eukaryot

- speciální strukturní, chemické a metabolické adaptace, umožňující růst na extrémních stanovištích

Buněčná stěna – muramová kyselinaMembránové lipidy – MK s rovným řetězcem – éterová vazba (ne esterová!)tRNA – thymin anoRibozóm – 70S(citlivost k chloramfenikolu a kanamycinu, ne k anizomycinu)

ArchaeaVelká variabilitaG+, G-Membrány – řada glycerolipidů, mono a dvojvrstvyC20 dietery, C40 tetraetery (stabilnější), Thermobolus, Sulfobolus

Organotrofní, autotrofníMetabolismus cukrů – nebyl nalezen enzym 6-fosfofruktokinasa

halofilní a termofilní – katabolizují glukózu bez fosforylacemetanogenní – nemetabolizují glukózu

Respirace – chybí pyruvát dehydrogenasa, přítomna pyruvát oxidoreduktasahalofilní a termofilní – funkční dýchací řetězecmetanogenní b. – nebyl nalezen kompletní cyklus trikarboxylových kyselin

TAXONOMIE ARCHAEA

Podle 1. vydání Bergeyova manuálu

Metanogenní archebakterie

Archebakterie redukující síru

Extrémně halofilní archebakterie

Archea bez buněčné stěny

Extrémně termofilní archea metabolizující síru

Metanogenní archebakterie

- Striktně anaerobní- Metan = hlavní koncový produkt metabolismu- Síra může být redukována na H2S bez výnosu energie- Koenzym M, faktory 420,430, metanopterin

Methanobacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanosarcina

Archebakterie redukující síru

- Striktně anaerobní- Kulovité bakterie- H2S tvorba ze sulfátu a thiosulfátů- Autotrofní - Mohou růst heterotroficky - Tvorba metanu- faktor 420, metanopterin ANO x koenzym M, faktor 430 NE

Archaeoglobus

Extrémně halofilní archebakterie

- Primárně aerobní chemoorganotrofní- Kulovité b. nebo nepravidelné tyčky- c NaCl > 1,5M- Neutro nebo alkalifilní- Mezo nebo lehce termofilní- Bakteriorhodopsin - světlo

Halobacterium, Halococcus, Natronobacterium

Archea bez buněčné stěny

- Fakultativně anaerobní- Pleomorfní b. bez b.s.- Termofilní acidofilní- Chemoorganotrofní - Plazmatická membrána glykoproteiny a lipoglykan s manozou

Thermoplasma

Extrémně termofilní archea metabolizující síru

- Fakultativně anaerobní, ale i aerobní- G- tyčky, koky nebo vláknité- Termofilní (70-110°C)- Acidofilní n. neutrofilní- Autotrofní n. heterotrofní - většinou metabolizují S : H2S x H2SO4

Desulfurococcus, Pyrodictium, Pyrococcus, Sulfolobus, Thermococcus, Thermoproteus

Podle 2. vydání Bergeyova manuálu

- Na základě studia rRNA

Crenarchaeota

- Termofilní- Původní skupina

Euryarchaeota

- Osidlují řadu ekologických nik- Řada metabolických drah

TAXONOMIE ARCHAEA

Kmen Crenarchaeota

1 třída Thermoprotei

1. Řád: Thermoproteales

G- anaerobní, hypertermofilní tyčkyChemolitoautotrofní, H2S

2. Řád: Sulfolobales

Kokální thermoacidofilní

3. Řád: Desulfurococcales

G- anaerobní, hypertermofilní koky n. diskovité b.Chemolitotrofní (oxidace H) Organotrofní (fermentace n. respirace – S receptorem e-)

Kmen Euryarchaeota

1. Třída Methanobacteria

2. Třída Methanococci

3. Třída Halobacteria

4. Třída Thermoplasmata

5. Třída Thermococci

6. Třída Archaeglobi – red. S

7. Třída Methanopyri

9 řádů

16 čeledí

Taxonomie založena na sekvenci 16S rRNA, neustálý vývoj poznání

Kmen AquificaeKmen ThermotogaeKmen ThermodesulfobacteriaKmen Deinococcus-ThermusKmen ChrysiogenetesKmen ChloroflexiKmen ChlorobiKmen CyanobacteriaKmen ProteobacteriaKmen Firmicutes (G+ bakterie s nízkým poměrem C+G)Kmen Aktinomycetes (G+ bakterie s vysokým poměrem C+G)Kmen PlanktomycetesKmen PlanctomycetesKmen ChlamydiaeKmen SpirochaetesKmen Bacterioidetes

Zjednodušený systém založený na morfologii viz Rosypal - Nový přehled biologie

TAXONOMIE BACTERIA

Kmen Spirochaetes- ohebné buňky šroubovitého tvaru, délka až 500 μm, axiální vlákno

Ř. Spirochaetales

Č. Spirochaetaceaepatogeni

BorreliaLeptospiraTreponemanepatogeniSpirochaeta, Cristispira

Leptospira interrogansBorrelia burgdorferi

Č. Spirillaceae

Spirillum

Campylobacter- průjmy člověkapřenos zvířata

Rody neurčitého zařazeníBdellovibrioB. bacteriovoruspatogen bakterií

MicrocyclusPelosigmaBrachyarcu

Kmen Firmicutes (G+ bakterie s nízkým poměrem C+G bází)

Tř. Clostridia

Tř. Mollicutes (mykoplazmata)

Tř. Bacilli

Ř. Lactobacillales

Ř. Bacillales

Ř. Lactobacillales

Rody: Streptococcus, Enterococus, Lactococcus, Lactobacillus, Leuconostoc

Nesporulující, nepohyblivéFosforylace na úrovni substrátu, fermentace cukrů – větš. k. mléčnáVyžadují komplexní médiaFakultativně anaerobní n. aerotolerantní anaerobové

Rod: Streptococcus

G + C v DNA – 34-46 %

Sférické nebo oválné b., v párech nebo řetízcích, nepohyblivé, nesporulující

fakultativně anaerobní, metabolismus fermentativníkatalázanegativnípři kultivaci komplexní média, hemolýza na krevním agaru

Komenzálové n. parazité zvířat

Čel. Lactobacillaceae

Rod: Lactobacillus

G + C v DNA – 32-53 % => není homogenním rodem

chemoorganotrofní, fakultativně nebo obligátně anaerobní, metabolismus fermentativní (i za aerobních podmínek), biochemicky velmi aktivní, cukry zkvašují homo- nebo heterofermentativně, netvoří indol ani sirovodík, katalázanegativnínepohyblivé tyčky (1-6 μm), dlouhé řetízky nebo vláknité formyvelmi náročné na kultivaci, rostou při 5-53°C s optimem při 30-40°C, drobné kolonie s pigmentem žluté až červené barvy

většina saprofytů (voda, půda, na ovoci a zelenině), u teplokrevných zvířat včetně člověka – v ústní dutině, ve střevech, močových cestách a pohlavních orgánech, čisté kultury – v průmyslu (hl. potravinářství – mléčné výrobky hl. sýry)

L. acidophilus , L. amylophilus, L. amylovorus, L. brevis, L. buchneri, L. casei, L. coryniformis, L. crispatus

Vegetativní buňky rodu Bacillus jsou aerobní, peritrichální tyčky, rovné s oblým nebo hranatým zakončením a poměrně velkých rozměrů: (0,5 x 1,2µm) až (2,5 x 10µm). Je to rod grampozitivní, přestože příležitostně vykazuje rekci gramnegativní nebo proměnlivou. Buňky se mohou vyskytovat samostatně nebo tvoří řetízky o počtu jednotek až stovek. Délka je závislá jak na podmínkách prostředí tak na jednotlivém kmenu. Globule rezervního metabolitu, kyseliny poly-β-hydroxymáselné, jsou zřetelné v cytoplazmě, zvláště obarvíme-li lipidy Súdánovou černí B

Druhy r. Bacillus mají v celku bohaté enzymové vybavení, takže mohou rozkládat nejrůznější organické sloučeniny. Většina druhů má velmi aktivní amylolytické enzymy, které štěpí škrob, řada druhů má pektolytické enzymy, které štěpí rostlinné pektiny, a většina druhů má velmi aktivní proteolytické enzymy, takže se uplatňuje při aerobním a anaerobním rozkladu bílkovin. Řada druhů produkuje antibiotika polypeptidové povahy, z nichž některá se pomocí těchto bakterií vyrábějí průmyslově (např. bacitracin). Uvedená antibiotika se tvoří ve stadiu sporulace a v přírodě zřejmě přispěla k velkému rozšíření svých producentů.

Některé druhy tvoří současně několik polypeptidových antibiotik. Jiné druhy tvoří slizovitá pouzdra polysacharidové povahy (levany a dextrany), které způsobují nežádoucí nitkovitost pečiva a pšeničného chlebu. Určité druhy slouží pro průmyslovou přípravu enzymů. Bakteriální amylasy získané z Bacillus subtilis se uplatňují v pivovarství a v textilním průmyslu, proteasy se používají především do pracích prostředků.

Rod: Bacillus

Ř. Bacillales

B. anthracis

spory

B. cereus