Prof. dr Tanja Berić

EKOLOGIJA MIKROORGANIZAMAPRIMENJENA MIKROBIOLOGIJA

Interakcije mikroorganizama u ekosistemu

Industrijska mikrobiologija

Bio-degradacija, -pesticidi i - fertilizatori

Uloga mikroorganizama u kruženjima u ekosistemu

Interakcije mikroorganizama u ekosistemuKompeticija

• žestoka kompeticija sa brzo vidljivim rezultatima

• trka u brzini usvajanja nutrijenata, brzini metabolizma i, ultimativno, brzini rasta

• pobednika u trci može da odredi i:- visoka tolerancija promenljivih uslova sredine- metabolička fleksibilnost- rezistentnost na antibiotike i toksine- sposobnost proizvodnje antibiotika- sposobnost formiranja spora- parazitski način života....

Interakcije mikroorganizama u ekosistemuKooperacija

• neki MO rade zajedno da bi sproveli neke transformacije koje ne mogu sami

• partnerstvo bakterija posebno značajno za proces anaerobnog kruženja ugljenika

• MO koji imaju komplementarni metabolizam

• nitrifikujuće bakterije zajedno oksiduju amonijak do nitrata

Simbioze

• svaki oblik zajedničkog života

• parazitizam i patogenost = negativne za domaćina

• komensalizam – nema određenog uticaja na domaćina

• mutualizam – MO je od koristi domaćinu

• mutualistička simbioza je vrlo intimni suživot partnera koji utiče na evoluciju i fiziologiju onog drugog = koevolucija

• ako su promene usled suživota vrlo ekstenzivne = obligatna simbioza

• na ovaj ili onaj način, sve simbioze su KORISNE ZA MO

Simbioze među mikroorganizmima

• češće su nego što se pretpostavlja, ali u mnogima jasan odnos i prednosti simbioze nisu poznati

• jasno definisane mikrobijalne simbioze su lišaji i konzorcijumi

• lišaj = gljiva + alga (ili cijanobakterija)

• gljiva ima koristi od fototrofnog partnera koji proizvodi hranu

• fototrofni partner dobija zaštitu od erozije i isušivanja ali i čvrst oslonac

• još važnije, lišajske kiseline podstiču rastvaranje i helaciju neorg. jedinjenja neophodnih fotobiontu iz podloge

• diverzitet gljiva mnogo veći od broja vrsta fototrofnih partnera koji ulaze u ovakvu zajednicu

Simbioze među mikroorganizmima

• konzorcijum – mutualizam MO karakterističan za slatkovodna staništa

• uobičajeno između nepokretne fototrofne zelene sumporne bakterije i pokretne nefototrofne bakterije

• čine do 70% biomase u jezerima

• osnovi za ovakav mutualistički odnos su proizvodnja hrane i pokretljivost

• morfologija zavisi od vrsta koje grade konzorcijum

• obično 13-69 zelenih sumpornih bakterija (epibiont) okružuje 1 pokretnu bakteriju

• konzorcijumi pokazuju fobiju prema mraku i pozitivnu hemotaksiju na sulfide

Interakcije MO sa biljkama

• kroz koren i preko lisne ploče i još intimnije u vaskularnom tkivu i ćelijama

• mutualizam povećava raspoloživost nutrijenata ili brani od patogena

1. kvržice na korenima leguminoza

2. „crown gall“

3. mikoriza

1.

3.

2.

Interakcije MO sa biljkamaKvržice na korenima leguminoza

• simbionti: leguminozne biljke i rizobijalne bakterije (α- i β- Proteobacteria)

• fiksacija atmosferskog azota (do ¼ ukupno fiksiranog azota)

• fiksaciju azota vrši bakterija enzimom nitrogenazom

• leghemoglobin „čuva“ nitrogenazu od O2

• krosinokulacione grupe

Koraci nodulacije

1. prepoznavanje korektnog partnera i pričvršćivanje bakterije za korenske dlačice

2. sekrecija oligosaharidnih signalnih molekula (nod faktori) od strane bakterija

3. invazija korenskih dlačica

4. kretanje bakterija do glavnog korena infektivnim nitima

5. formiranje modifikovanih bakterijskih ćelija (bakteroid) u biljnim ćelijama i uspostavljanje uslova za fiksaciju

6. kontinualna deoba biljnih i bakterijskih ćelija koja dovodi do formiranja kvržica

1.

2.

„Crown gall“

• parazitska simbioza MO sa biljkom

• Agrobacterium tumefaciens – tumori na nadzemnim delovima biljke

• Agrobacterium rhizogenes – stanje „čupavo korenje“

• Ti i Ri plazmidi

• infekcija kroz oštećenje i nekontrolisani rast tkiva

• integracija T-DNK sa plazmida u genom biljke pokreće tumorski rast i proizvodnju opina (modifikovane AK) koje bakterija koristi kao hranu

Mikoriza

• mutualizam između korenova biljaka i hifa gljiva

• protok nutrijenata u oba pravca

• ektomikoriza – hife gljiva intimno obavijaju koren ali plitko prodiru u tkivo

• korenovi drveća

• endomikoriza – deo gljiva ulazi duboko u tkivo korena

• arbuskularna mikoriza – predačkog tipa, pomogla je uspešnu invaziju kopna

• glive iz razdela Glomeromycota

Sadnice bora bez mikorize i sa mikorozom

Interakcije MO sa životinjamaSisari kao mikrobijalno stanište

• evolucija životinja oblikovana je dugom istorijom simbiotskih asocijacija sa MO

• kod sisara MO naseljavaju sva mesta na telu ali najveći diverzitet i gustinu imaju u GIT (gastro-intestinalnom traktu)

• blisko srodni sisari su razvili adaptacije za različite tipove ishrane

• masivna evoluciona radijacija sisara tokom Jure dovela je do razvitka više različitih strategija

• većina sisara razvila je strukturu želuca koja podstiče mutualističke asocijacije sa MO

• fermentacija uz pomoć MO je ostala bitna ili čak esencijalna za varenje

Višestruko poreklo herbivorije kod sisara

• monogastrični sisari (ljudi) značajan deo energije dobijaju iz bakterijske fermentacije inače nesvarljive hrane

• herbivori su totalno zavisni od fermentacije

• da nema simbioze sa MO, celulozna hrana bi bila neupotrebljiva a diverzitet vrsta manji

• celuloza je, kao najraširenije organsko jedinjenje na Zemlji, veoma bogat izvor energije

• prilagođenost herbivora:

1. uvećana anaerobna komora za čuvanje biljnog materijala

2. produženo zadržavanje hrane u traktu

• „prednji“ i „zadnji“ fermentori

• prednji – razgradnja biljnog materijiala pre ulaska u želudac (goveda, majmuni, lenjivci i torbari)

• zadnji – cekum između tankog i debelog creva (konji i zečevi)

• u rumenu 300-400 vrsta bakterija

Varijacije građe GIT kičmenjaka

Herbivorni sisari

Mikrobiom čoveka

• broj MO ≈ 1014 (10 × više od ukupnog broja ćelija ljudskog organizma)

• značajan za rani razvoj i predispoziciju za bolesti

• HMP – Human Microbiom Projekt

1. da li individue dele ključne članove mikrobioma?

2. postoji li korelacija između strukture mikrobijalnih populacija i genotipa domaćina?

3. da li razlike u mikrobiomu korelišu sa promenama u zdravlju?

4. da li su bitne relativne zastupljenosti MO?

• individualni diverzitet – ogroman

• ni jedna vrsta nije pronađena za koju bi se moglo reći da je najzastupljenija

• sličnosti na nivou tipova i distribucije gena sličnih funkcija

• u debelom crevu 1011- 1012 bak/g

• kolonizacija trakta novorođenčadi praćena je smenom populacija i zajednica sve dok se ne formira neka stabilna flora (kod odraslih)

• 4 tipa, 1800 rodova, 16000 vrsta i više od 36000 sojeva

• apsolutno dominantne bakterije, arhee, gljive i protisti minorni

• jedna osoba – nekoliko stotina do preko 1000 i stabilna

• mikrobiom sisara je „fino podešen“ za svaku vrstu

• MO sintetišu niz enzima

• rano u životu imunski sistem „nauči“ da razlikuje domaće bakterije od patogena

• ovi MO doprinose sazrevanju GIT dovodeći do okidanja ekspresije gena u ć. epitela GIT

• uloga mikrobioma u gojaznosti

Mikrobiom debelog creva čoveka određen iz sekvenci 16S rRNK

Interakcije MO sa životinjamaInsekti

• Preko milion vrsta

• Više od 20% podržava neku vrstu mutualističke simbioze sa MO

• MO doprinose ekološkoj uspešnosti insekata (zaštita ili prednosti u ishrani)

• u telu, na telu i endosimbionti

• Endosimbionti obično lokalizovani u specijalizovanim organima

Nasledni simbionti

• način obezbeđivanja simbionta određuje kako mutualizam funkcioniše i koliko je odnos stabilan

• može poticati iz sredine – horizontalna transmisija ili direktno se prenositi od roditelja na decu – vertikalna transmisija (nasledno)

• nasledni simbionti obično nemaju slobodnoživeću formu – obligatni simbionti

• domaćin ne mora obavezno biti zavisan od simbionta

• primarni i sekundarni simbionti

• primarni su neophodni insektu za reprodukciju i nalaze se u specijalizovanom delu tela – bakteriom, u ćelijama bakteriocita

• Wolbachia – nasledni simbiont koji manipuliše reprodukcijom domaćina izazivajući povećanje broja ženki

• inficira više od 60% vrsta insekata

• oruđe u biokontroli

Sekundarni simbionti

• sekundarna simbioza je veoma široko rasprostranjena kod insekata

• sekundarni nisu neophodni za reprodukciju i ne moraju biti prisutni kod svake jedinke i nisu ograničeni na posebno tkivo

• ulaze u različita tkiva i mogu da žive izvanćelijski, u hemolimfi

• kod insekata koji imaju bakteriom, mogu se naseliti i u njemu

• obezbeđuju domaćinu neku prednost: zaštita (predatora, patogena, toplote) ili prednost u ishrani

Funkcionalni značaj obligatnih intraćelijskih simbionataAphidae

• hrane se biljnim sokom – siromašan proteinima

• koriste metabolički potencijal simbionta

• Buchnera – u bakteriomu, sintetiše 9 esencijalnih AK za vaši (nisu prisutne u soku)

• komplementacija metabolizma

• nekada i sekundarni simbiont može doprineti ovom “zajedničkom poslu”

Primarni i sekundarni simbionti biljnih vaši

Primarni simbionti- redukcija genoma i razmena genetičkog materijala

• redukcija genoma primarnih simbionata, visok sadržaj AT parova i uvećana stopa mutacija – umanjeni kapacitet za DNK reparaciju

• redukcija na račun kataboličkih enzima za razliku od redukcije parazita koja ide na račun anaboličkih enzima

• razmena genetičkog materijala sa domaćinima

• u genomu voćne mušice otkriven čitav genom Wolbachia a neki od gena se i transkribuju!

Interakcije MO sa životinjamaJoš neki primeri simbioza

• termiti – nemaju intraćelijske simbionte

• pomažu im u varenju lignocelulozne hrane

• akvatični beskčmenjaci:

1. Havajska lignja i gramnegativna bioluminiscentna bakterija Aliivibrio fisheri – model za izučavanje simbioze

- u svetlećem organu - kamuflaža

2. tubularni crvi oko hidrotermalnih ventila

- trofozom ispunjen granulama sumpora i S-oksidujućim prokariotima

3. džinovske školjke oko hidrotermalnih ventila

- u škrgama

Aktivnost MO u ekosistemuUloga mikroorganizama u kruženju materije

• ključne nutrijente za život recikliraju i mikro- i makroorganizmi ali aktivnost MO dominira

• kruženja C, N, S i Fe

• biodegradacija i bioremedijacija – korišćenje biogeohemijskog kapaciteta MO za luženje ruda, transformaciju žive, razlaganje nafte, plastike i drugih ksenobionata

Kruženje ugljenika

• kruži u obliku CO2 kroz atmosferu, zemlju, vodu i biomasu

• najveći rezervoari C su sedimenti i stene ali iz njih se CO2 otpušta veoma sporo

• aerobni fototrofi fiksiraju CO2 i transformišu ga u biomasu (doprinos anaerobnih fototrofa i hemolitotrofa je izuzetno mali)

• u obliku humusa (uginula organska masa) više je C nego u živoj biomasi

• CO2 se vraća u atmosferu kao proizvod oksidacije org. materija (disanje)

Kruženje ugljenika

• kao proizvod razgradnje org. materija može nastati i metan• metan nastaje u procesu metanogeneze redukcijom CO2 ili

transformacijom acetata (anaerobne arhee)• svaki org. molekul može se pretvoriti u metan kooperativnom

aktivnošću metanogena i fermentativnih bakterija = sintrofija• sintrofi su sekundarni fermentori jer proizvode H2 i CO2

fermetacijom proizvoda primarne fermentacije (kratke MK i alkoholi)

• utrošak H2 (nastalog u sekundarnoj fermentaciji) od strane partnerskog MO je esencijalan (favorizuje inače energetski nepovoljnu reakciju)

• metan-hidrat – molekuli zamrznutog metana u permafrostu• globalno otopljavanje preti da ispusti velike količine metana

iz metan-hidrata u atmosferu• smatra se da je to bilo okidač velikog permskog izumiranja

Kruženje azota

Kruženje azotaOksidacija amonijaka i nitrita, nitrifikacija• hemolitotrofna reakcija koja obezbeđuje malo energije• nitrifikujuće bakterije, aerobni uslovi• Nitrosomonas i Nitrobacter• kompletna oksidacija NH3 – tandem mikroorganizmi - transfer 8 elektrona• anammox – anaerobna oksidacija amonijaka, nitrit akceptor – nastaje N2

Redukcija nitrata, denitrifikacija

• anaerobno disanje• azotna jedinjenja kao akceptori elektrona• nitrat koji se redukuje do gasovitih oblika azota• nepovoljno za poljoprivredu

Azotofiksacija• redukcija atmosferskog azota (N2) do amonijaka• značajna ekološka prednost i ogroman značaj za poljoprivredu• slobodni i simbitski fiksatori azota, isključivo prokarioti

Kruženje sumpora

• još kompleksnije od kruženja azota zbog postojanja velikog broja oksidacionih stanja S (jedino su -2, 0 i +6 značajni za prirodu

• najveće rezerve u sedimentima• u biosferi u okeanu• bakterije koje redukuju sulfate su mnogobrojne i široko

rasprostranjene• redukcija u aerobnim i anaerobnim uslovima• redukcija sulfata u zemljištu i sedimentu zavisi od količine

org. materijala (H2 potreban za redukciju potiče od fermentacije)

• arhee redukuju elementarni S do H2S• oksidaciju redukovanih formi sumpora vrše hemolitotrofi

koristeći ih kao izvor energije• asimilaciju sulfata vrše biljke ugrađujući ih u AK• neke bakterije mogu da oksiduju formu –SH grupe do H2S

koji opet litotrofi oksiduju do S ili sulfata

Kruženje gvožđa

• između fero (Fe2+) i feri (Fe3+) stanja

• neke bakterije i arhee koriste Fe3+ jone kao akceptore elektrona u anaerobnom disanju vršeći redukciju do Fe2+ stanja

• Fe2+ se oksiduje hemijski ili aktivnošću gvožđevitih bakterija

• nastali Fe3+ precipitira u obliku oksida gvožđa koje može hemijski da se redukuje do Fe2+

• Fe3+ može da formira komplekse sa različitim org. jedinjenjima i na taj način postaje ponovo rastvorljivo i dostupno kao akceptor elektrona

MO u industrijskoj proizvodnji• industrijska mikrobiologija - proizvodnja komercijalnih proizvoda upotrebom MO,

u velikim količinama i po relativno niskim cenama• pospešivanje (pojačavanje) metaboličkih reakcija koje dati MO inače izvode sa

ciljem postizanja overprodukcije• biotehnologija - menjanje MO od interesa genetičkim inženjeringom da

proizvode ono što inače ne proizvode, male količine i skupo• glavni proizvodi industrijske mikrobiologije mogu biti i sami MO (kvasac)• kao i: enzimi, antibiotici, aminokiseline, vitamini, aditivi, hemijska roba široke

potrošnje (etanol, metanol..) i alkoholna pića (vino, pivo)• najčešći proizvođači: kvasci, gljive i neki prokarioti (uglavnom Actinobacteria, tj.

rod Streptomyces)• koriste se klasične genetičke metode za selekciju dobrih sojeva (mutageneza i

selektivni pritisak)• imperativ je visok nivo produkcije• fermentacije u industriji podrazumevaju proizvodnju (iako proizvod ne mora

nastajati u procesu biohemijske fermentacije)

• pored proizvodnje jedinjenja od interesa, MO mora da zadovoljava još uslova:

- može da raste „naveliko“- zgodno je i ako proizvodi spore – jednostavna inokulacija- brzo raste u tečnom jevtinom medijumu (najbolje na

otpadnom materijalu)- ne smeju da budu patogeni za čoveka i životinje- moraju da budu podložni genetičkim manipulacijama- gajenje u fermentorima (10 - 500000 l) pod kontrolisanim

uslovima- dodatni trošak predstavlja prečišćavanje proizvoda

• primarni i sekundarni metaboliti

• većinu antibiotika proizvode Actinobacteria i poneki grampozitivni bacil i gljiva

• mora se dobiti proizvod visoke čistoće (odstraniti pirogene koji mogu ko-prečišćavati sa antibiotikom)

• vitamini B12 i B2 (riboflavin)

• aminokiseline (glutaminska i asparaginska kiselina, fenilalanin)

• enzimi i ekstremozimi (proteaze, amilaze)

• biogorivo: etanol i biodizel

Proizvodi genetički modifikovanih MO

• MO „obogaćeni“ sisarskim genima

• prvi – insulin

• izazovi:

1. gen se mora postaviti pod kontrolu bakterijskog promotora

2. introni se moraju ukloniti

3. izrođenost kodona utiče na efikasnost translacije

4. mnogi sisarski proteini se modifikuju postranslatorno a bakterije to ne mogu

• ekspresija sisarskih proteina u genetički modifikovanim eukariotskim ćel.

• eukariotske ćelije u kulturi i transgene životinje

Bioremedijacija

• bioremedijacija naftnih izliva – čišćenje naftnih i uljanih izliva i dr. zagađivača upotrebom MO, tj. stimulacijom aktivnosti MO na određeni način

• ugljeni hidrati iz nafte predstavljaju odličan izvor C za bakterije koje ih oksiduju ako je kiseonik na raspolaganju

• aktivnost ovih MO se može pospešiti dodatkom neorganskih jedinjenja

• bioremedijacija ksenobionata• jedinjenja nova za prirodu (pesticidi, PCB, boje, rastvarači..)• neka se relativno lako i brzo otklanjaju iz ekosistema dejstvom

MO dok se neka praktično nerazgradiva• dehlorinacija je glavni način za degradaciju ksenobionata• akumulacija plastike najveći problem• PHA = polihidroksi alkanoati – „bakterijska plastika“

Biopesticidi i biofertilizatori

• Bt toksin iz Bacillus thuringiensis kao insekticid

• upotreba MO i njihovih produkata kao zamena za hemijske pesticide i đubriva

• Plant Growth Promoting Rhizobacteria- fiksacija azota- proizvodnja biljnih hormona- usvajanje nutrijenata- proizvodnja siderofora- biokontrola