Információ

Hogyan lehet keresni az élőlényeket olyan kritériumok alapján, mint a növekedési szubsztrát és a túlcsorduló metabolitok?

Hogyan lehet keresni az élőlényeket olyan kritériumok alapján, mint a növekedési szubsztrát és a túlcsorduló metabolitok?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Adatbázist vagy szisztematikus módszert keresek bizonyos kritériumoknak megfelelő szervezetek keresésére. A csökkenő fontosságú kritériumaim a következők:

  • növekedési szubsztrát
  • kemolitoautotrófia (melyik szubsztráton)
  • túlcsorduló metabolit
  • metanogén
  • Nitrogén-rögzítés

Létezik-e adatbázis / egyéb mód ezen információk megtalálására a kézi ásáson kívül?

Kipróbáltam az NCBI taxonómiát, a LINNAEUS-t, az uBio-t, a KEGG-t, az organism-taggert és másokat, de úgy tűnik, ezek nem képesek ilyen lekérdezésre. Úgy tűnik, mindannyian megkövetelik az organizmus nevét. De lehet, hogy lemaradtam valamiről?

köszi minden tippet.

Ingvar


Úgy gondolom, hogy néhány kritériumot nehéz megtalálni (a kifejezések megértésének hiánya miatt is). A többiben ezekben az adatbázisokban kereshet:-

  • Növekedési szubsztrátum: Nem igazán tudom, mit kérdez itt - növekedési ütem minimális közegben/optimális növekedési közegben? Ennek ellenére nézze meg a médiaadatbázist
  • Metanogenezis: ortológ asztal - KEGG MODUL M00567
  • Nitrogén rögzítés: Ortholog Table - KEGG MODUL M00175

Hogyan lehet keresni az élőlényeket olyan kritériumok alapján, mint a növekedési szubsztrát és a túlcsorduló metabolitok? - Biológia

1. ábra: Egyes prokarióták szélsőséges környezetben élhetnek, mint például a Morning Glory medence, amely egy meleg forrás a Yellowstone Nemzeti Parkban. A forrás élénk kék színe a prokariótákból származik, amelyek nagyon forró vizeiben virágoznak. (hitel: Jon Sullivan munkájának módosítása)

A közelmúltban a tudósok öt élőlénybe-állatokba, növényekbe, gombákba, protistákba és prokariótákba-csoportosították az élőlényeket, számos kritérium alapján, mint például a mag és más membránhoz kötött organellák hiánya vagy jelenléte, az sejtfalak, többsejtűség stb. A 20. század végén Carl Woese és mások úttörő munkássága összehasonlította a kis alegységű riboszómális RNS (SSU rRNS) szekvenciáit, aminek eredményeképpen alapvetőbb módon lehetett csoportosítani a szervezeteket a Földön. A sejtmembránok szerkezetében és az rRNS -ben mutatkozó különbségek alapján Woese és kollégái azt javasolták, hogy a Földön minden élet három, doménnek nevezett vonal mentén fejlődjön. A Baktérium domén magában foglalja a Baktériumok királyságának összes organizmusát, az Archaea domén a többi prokariótát, az Eukarya domén pedig az összes eukariótát tartalmazza - beleértve az Animalia, Plantae, Fungi és Protista királyságok szervezeteit is.

A három domén közül kettő - a baktériumok és az archaea - prokarióta. A prokarióták voltak az első lakók a Földön, 3,5-3,8 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg. Ezek az élőlények bőségesek és mindenütt jelen vannak, vagyis mindenhol jelen vannak. Amellett, hogy mérsékelt környezetben élnek, extrém körülmények között is előfordulnak: forrástól a forrásokon át az Antarktiszon tartósan fagyos környezetig, a sós környezetektől, például a Holt -tengertől az óriási nyomásnak kitett környezetekig, például az óceán mélyén és az oxigén nélküli területeken. hulladékgazdálkodási létesítményként radioaktívan szennyezett régiókba, például Csernobilba. A prokarióták az emberi emésztőrendszerben és a bőrön találhatók, felelősek bizonyos betegségekért, és számos étel elkészítésében játszanak fontos szerepet.

Tanulási célok

  • Ismertesse a prokarióták evolúciós történetét!
  • Beszélje meg az extremofilek megkülönböztető jellemzőit
  • Értsd meg, miért nehéz prokariótákat tenyészteni
  • Beszéljétek meg, miért alkotnak a prokarióták gyakran biofilmet

Prokarióták, a Föld első lakói

Mikor és hol kezdődött az élet? Milyen körülmények voltak a Földön az élet kezdetekor? A prokarióták voltak az első életformák a Földön, és évmilliárdokkal léteztek a növények és állatok megjelenése előtt. A Föld és holdja körülbelül 4,54 milliárd évesnek tekinthető. Ez a becslés a meteoritanyag, valamint a Földről és a Holdról származó egyéb szubsztrátumanyagok radiometrikus kormeghatározásából származó bizonyítékokon alapul. A korai Földnek egészen más légköre volt (kevesebb molekuláris oxigént tartalmazott), mint manapság, és erős sugárzásnak volt kitéve, így az első élőlények ott virágoztak volna, ahol jobban védettek, például az óceánok mélyén vagy a Föld felszíne alatt. Ebben az időben is gyakori volt a vulkáni tevékenység a Földön, ezért valószínű, hogy ezeket az első organizmusokat - az első prokariótákat - nagyon magas hőmérséklethez igazították. A korai Föld hajlamos volt a geológiai felfordulásra és a vulkánkitörésre, és a nap mutagén sugárzása bombázta. Az első organizmusok prokarióták voltak, amelyek ellenálltak ezeknek a zord körülményeknek.

Mikrobiális szőnyegek

Mikrobiális szőnyegek vagy nagy méretű biofilmek jelenthetik a Föld életének legkorábbi formáit, fosszilis bizonyíték van a jelenlétükre körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt. A mikrobiális szőnyeg egy többrétegű prokarióta lap (1. ábra), amely többnyire baktériumokat, de archeákat is tartalmaz. A mikrobiális szőnyegek néhány centiméter vastagok, és jellemzően ott nőnek, ahol különböző típusú anyagok érintkeznek, többnyire nedves felületeken. Az őket alkotó különböző típusú prokarióták különböző anyagcsere-utakat hajtanak végre, és ez az oka annak, hogy eltérő színük van. A mikrobiális szőnyegben lévő prokariótákat egy ragasztószerű ragadós anyag tartja össze, amelyet extracelluláris mátrixnak neveznek.

Az első mikrobiális szőnyegek valószínűleg energiájukat a hidrotermális szellőzőnyílások közelében talált vegyi anyagokból nyerték. A hidrotermikus szellőző egy törés vagy repedés a Föld felszínén, amely geotermikusan felmelegített vizet bocsát ki. A fotoszintézis mintegy 3 milliárd évvel ezelőtti fejlődésével a mikrobiális szőnyegekben egyes prokarióták szélesebb körben elérhető energiaforrást – a napfényt – kezdtek használni, míg mások még mindig a hidrotermikus szellőzőkből származó vegyi anyagoktól függtek az energia és az élelem érdekében.

1. ábra. Ez (a) körülbelül egy méter átmérőjű mikrobiális szőnyeg a Csendes-óceán hidrotermális szellőzőnyílása fölött nő, a „Csendes-óceáni tűzgyűrű” néven ismert régióban. A szőnyeg segít megtartani a mikrobiális tápanyagokat. A kémények, például a nyíllal jelzett kémények lehetővé teszik a gázok távozását. (b) Ezen a mikrofelvételen a baktériumokat fluoreszcens mikroszkóppal teszünk láthatóvá. (a kredit: Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, vezető tudós munkája módosítása b: Ricardo Murga, Rodney Donlan munkájának módosítása, Matt Russell CDC skálaadatai)

Stromatolitok

A megkövesedett mikrobiális szőnyegek a Föld életének legkorábbi rekordját jelentik. A stromatolit üledékes szerkezet, amely akkor keletkezik, amikor ásványokat kicsapnak a vízből prokarióták egy mikrobiális szőnyegen (2. ábra). A stromatolitok réteges kőzeteket képeznek karbonátból vagy szilikátból. Bár a legtöbb stromatolit a múltból származó műtárgy, vannak olyan helyek a Földön, ahol a stromatolitok még mindig képződnek. Például növekvő stromatolitokat találtak a kaliforniai San Diego megyében lévő Anza-Borrego Desert State Parkban.

2. ábra. A) Ezek az élő stromatolitok az ausztráliai Shark Bay -ben találhatók. b) Ezek a Montana állambeli Glacier Nemzeti Parkban található kövült stromatolitok közel 1,5 milliárd évesek. (hitel a: Robert Young hitel b: P. Carrara, NPS)

Az ókori légkör

3. ábra Ez a Yellowstone Nemzeti Park forró forrása az előtér felé folyik. A cianobaktériumok tavasszal zöldek, és ahogy a víz lefolyik a gradiensen, a szín intenzitása a sejtsűrűség növekedésével nő. A víz hűvösebb a patak szélén, mint középen, így a szélei zöldebbnek tűnnek. (hiteles: Graciela Brelles-Mariño)

A bizonyítékok azt mutatják, hogy a Föld fennállásának első két milliárd évében a légkör volt anoxikus, vagyis nem volt molekuláris oxigén. Ezért csak azok a szervezetek, amelyek oxigén nélkül is képesek növekedni -anaerob organizmusok – képesek voltak élni. Az autotróf szervezeteket, amelyek a napenergiát kémiai energiává alakítják, ún fototrófok, és a Föld kialakulását követő egymilliárd éven belül megjelentek. Azután, cianobaktériumok, más néven kék-zöld algák, egymilliárd évvel később ezekből az egyszerű fototrófokból fejlődtek ki. A cianobaktériumok (3. ábra) megkezdték a légkör oxigénellátását. A megnövekedett légköri oxigén lehetővé tette a hatékonyabb O kifejlesztését2-hasznosító katabolikus utak. Megnyílt a föld a fokozott gyarmatosítás előtt is, mert néhány O2O-vá alakul át3 (ózon) és az ózon hatékonyan elnyeli az ultraibolya fényt, amely egyébként halálos mutációkat okozna a DNS -ben. Végül az O növekedése2 koncentrációk lehetővé tették más életformák kialakulását.


A rendszerbiológia gyakorlati alkalmazásai

Míg a nagy mennyiségű kísérleti adat időbeni és költséghatékony összegyűjtésére való képességünk a közelmúltig kiemelt fontosságú volt, jelenleg egy másik kihívás formálódik.

Most a cél az, hogy integrálják a különböző megközelítések által generált adatkészleteket, hogy lehetővé tegyék az összetett biológiai jelenségek értelmes és pontos értelmezését. Ebben az összefüggésben a rendszerbiológia, amelyet Hans Westerhoff és Lilia Alberghina könyvében Rendszerbiológiai definíciók és perspektívák (Springer 2007), amelyet „egyszerre újnak és réginek” emlegetnek, a kulcsa a biológiai rendszerek valódi összetettségének és dinamikájának megértéséhez.

„A következő 10 évben a rendszerszemlélet fogja uralni az összes egyszerű és összetett betegség megértésének tájat” - mondta Leroy E. Hood, doktor, Ph.D., a Rendszerbiológiai Intézet elnöke.

Egy nemrégiben készült tanulmányban, amely több beltenyésztett egértörzsből származó globális információ különböző szintjeit integrálta szubtraktív elemzéssel, Dr. Hood és munkatársai megvizsgálták a sejtzavarokat a prionbetegség progressziója során (lásd Molekuláris rendszerbiológia, közzétéve online, 2009. április 7.).

"A globális elemzés azért fontos, mert lehetővé tette számunkra annak bizonyítását, hogy gyakorlatilag az összes ismert patofiziológiát meg tudjuk magyarázni, és alapvetően új betekintést nyújtott olyan betegségek moduljaiba, amelyekről az embereknek fogalmuk sem volt, hogy a prionbetegséghez kapcsolódnak" - tette hozzá Dr. Hood .

Az omikai megközelítések által generált hatalmas mennyiségű információ miatt a kihívások most az adatok értelmezésének legrobusztusabb módszereinek megtalálása felé tolódnak el.

„Bármely nagyszabású elemzéssel, legyen az transzkriptom, proteom vagy genomszintű vizsgálat, az a probléma, hogy a jel-zaj kihívás óriási. Bár ezek az omikus megközelítések nagyszámú génlistát azonosítanak, azt állítom, hogy a listában szereplő gének nagy része zaj, és nem tükrözik a kóros mechanizmusokat. A jel-zaj arány értékelése abszolút kritikus” – magyarázta Dr. Hood.

Csoportja új statisztikai módszereket dolgozott ki és valósított meg a zaj kezelésére és a különböző állatokból származó adatkészletek új és hatékony módon történő integrálására. A prionbiológia alapos megértése mellett ez a megközelítés 333 gént azonosított, amelyek központinak tűnnek a prionbetegségben.

Az egyik figyelemre méltó szempont, amely ebből a munkából kiderült, az, hogy sok változás molekuláris szinten jelenik meg jóval a tünetek nyilvánvalóvá válása előtt. Ezenkívül a proteomikai technikák számos potenciális diagnosztikai értékű, tünetmentes vérmarkert azonosítottak.

Ezek a globális megközelítések olyan dinamikus sejthálózatokat tártak fel, amelyek fontos keretet biztosítanak a gyógyszerkutatás és -tervezés számára. „Úgy gondolom, hogy a gyógyszercélpontok felfedezésének jövője a betegségek által megzavart hálózatok dinamikájának megértése lesz” – jósolta Dr. Hood. "Tíz év múlva olyan forradalmat fogunk látni az orvostudományban, amilyet még soha nem láttak."


A HIV útja a sejten keresztül

Gazda-kórokozó kölcsönhatás

Az RNSi-képernyők a közelmúltban különösen hatékony módszerekké váltak a gazda-patogén kölcsönhatások felmérésének. Mindazonáltal, mivel genetikai eszközök, amelyek hajlamosak a közvetett összefüggések felfedésére, nem túl informatívak arról, hogy egy adott kölcsönhatás közvetlen vagy közvetett.

„Integráló megközelítést alkalmaztunk” - jegyezte meg Sumit Chanda, Ph.D., a Burnham Orvosi Kutatóintézet docense. „Azzal a hipotézissel indultunk el, hogy az RNSi -aktivitás nem az egyetlen kritérium, amelyet az RNAi -képernyőről származó tényezők kiválasztásakor választani kell.”

Egy nemrégiben megrendezett Cold Spring Harbor laboratórium konferenciáján a „Rendszerek biológiája: hálózatok” címmel Dr. Chanda elárulta, hogy csoportja hogyan integrálta az RNSi adatokat a fehérjehálózat-elemzéssel, hogy térbeli ábrázolást kapjon arról, hogy az azonosított tényezők hogyan hatnak egymásra és a HIV-fertőzésre. kódolt fehérjék. A csapat 295 gént azonosított a korai fertőzésben.

Körülbelül ugyanebben az időben két másik csoport, Stephen J. Elledge, a Harvard Orvostudományi Egyetem és Amy S. Espeseth, a Merck & Co. vezetésével RNSi -t használt a HIV -fertőzésben résztvevő gazdaproteinek azonosítására. Érdekes módon, bár a három szűrés mindegyike körülbelül 300 gént azonosított, a génekből csak 9-15 volt megosztva a párosított adatkészletek között.

„Az a hipotézisünk, hogy ezen tényezők közül sok ugyanazon útvonalak vagy biológiai folyamatok közvetett szabályozója lesz, és ezért van ilyen alacsony fokú átfedés” – folytatta Dr. Chanda.

„A legtöbb azonosított tényező a folyamat másodlagos vagy harmadlagos szabályozói, például egy szabályozó szabályozójának szabályozója. Ez az oka annak, hogy a biokémiai és a genetikai analízis integrálása, a két adathalmaz metszéspontja, nemcsak megtisztítja az adatokat, hanem funkcionális leolvasást is biztosít. Térbeli és biokémiai pillanatképet is kínál arról, hogy ezek a gazdaproteinek hogyan közvetítik a fenotípust az interakciós térképen keresztül. ”

A mikrobiális kórokozók világszerte a megbetegedések és mortalitások egyik fő oka. Úgy gondolják, hogy az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia kifejlesztésének képessége előre jelzi azt, amit egyes kutatók „a posztantibiotikumok korszakának” neveztek. Amint azt az elmúlt évtizedek bebizonyították, a rezisztens baktériumok mindig azután kezdenek megjelenni, hogy bizonyos antibiotikumok kereskedelmi forgalomba kerülnek, néha már néhány hónapon belül.

"Egy ideje rendszerbiológiai megközelítést alkalmazunk annak tanulmányozására, hogy a baktériumok hogyan reagálnak az antibiotikumokra" - mondta James J. Collins, Ph.D., a Bostoni Egyetem orvosbiológiai mérnöki professzora és egy Howard Hughes Orvosi Intézet kutatója. A Cold Spring Harbor találkozóján Dr. Collins bemutatta csoportja közelmúltbeli megállapításait, miszerint minden baktericid antibiotikum, függetlenül a gyógyszer céljától, oxidatív károsodást és sejtpusztulási útvonalakat indukál, amelyek hidroxilgyökök termeléséhez vezetnek, és ezáltal hozzájárulnak a sejthalálhoz.

A reaktív oxigénfajták károsodásának orvoslására indukált bakteriális védőutak megcélzása, és különösen a DNS-károsodás helyreállítási útvonalainak manipulálása ezért az egyik lehetséges megközelítés ezen antibiotikumok hatásának fokozására.

"Úgy véljük, hogy olyan kis molekulákat lehet előállítani, amelyek szuper-Cipro, szuper-gentamicin vagy szuper-ampicillin létrehozásához vezetnek"-jósolta Dr. Collins. Legutóbb, amikor az aminoglikozidok riboszómákkal való interakcióját követõ eseményeket vizsgálták, amelyek reaktív oxigénfajták képzõdéséhez vezetnek, Dr. Collins csoportja feltárta, hogy ezek az antibiotikumok a membránfehérjék téves transzlációjához vezetnek, és kimutatta, hogy a burok stresszválasz és a kétkomponensû redox. szabályozó rendszerek részt vesznek az antibiotikumok által közvetített oxidatív stresszben és a sejthalálban. Ez további betekintést nyújtott a baktericid antibiotikumok által kiváltott pusztulás közös mechanizmusába.

"A rendszerbiológiai megközelítések betekintést nyújthatnak a baktériumsejtek halálozási útjaiba és az antibiotikumok által kiváltott védőmechanizmusokba" - mondta Dr. Collins. „Ezek a hálózati alapú elemzések új, hatékonyabb antibiotikumok kifejlesztéséhez, valamint a meglévő antibakteriális gyógyszerek fejlesztésének módjaihoz vezetnek. Ezek az erőfeszítések kritikusak lesznek az antibiotikum -rezisztencia elleni folyamatos harcunkban. ”

Protozoan Research

Jason A. Papin, Ph.D., a Virginiai Egyetem orvosbiológiai mérnöki adjunktusa, az első ilyen jellegű kísérletben, amely egy protozoon szervezet bevonásával történt, munkatársaival együtt rekonstruálta az elsőt. Leishmania fő metabolikus hálózat, amely 560 gént, 1112 reakciót, 1101 metabolitot és nyolc egyedi szubcelluláris lokalizációt tartalmaz.

Ezen túlmenően a németországi Helmholtz Infection Research Center kutatója, Vitor Martins do Santos Ph.D.-vel együttműködve csoportja a rendelkezésre álló genetikai, biokémiai és fiziológiai adatokat használta fel a genomléptékű rekonstrukció és a megszorításokon alapuló modell elkészítéséhez. Pseudomonas aeruginosa PAO1 törzs, amely 1056 gént térképez fel, amelyek termékei 833 reakciónak felelnek meg, és 879 celluláris metabolitot kapcsolnak össze. „Ez egy nagyszerű rendszer - hangsúlyozta Dr. Papin -, mivel viszonylag jól jellemzett és kórokozó.”

A modellt publikált genom-skála gén-esszenciális szűrőkkel és szubsztrát-felhasználási vizsgálatokkal validálták, amelyek megjósolják, hogy a szervezet képes-e katabolizálni specifikus szubsztrátokat.

Bár ezek az összehasonlítások fontos validációt nyújtanak, jelentős hatással vannak arra is, hogy megértsük, mi teszi szükségessé bizonyos géneket, vagy miért képes egy organizmus felhasználni az egyik szubsztrátot, de nem a másikat.

„Úgy gondoljuk, hogy valós és kielégítetlen szükség van. Úgy gondolom, hogy a rendszerbiológia egyik legkorábbi és legnagyobb sikere lehet a fertőző betegségek leküzdésében, valamint a gyógyszercélok azonosításában és érvényesítésében ezekben a kórokozókban ” - mondta Dr. Papin.

Angiogenezis

A rendszerbiológia azt ígéri, hogy gyakorlatilag minden tudományterületre hatással lesz. Például az „angiogenezis egy összetett többlépcsős folyamat, amely számos molekuláris szereplőt érint, számos áthallás és kölcsönhatás mellett. Egy ilyen rendszerben a rendszerbiológia használata feltétlenül szükséges a folyamat megértéséhez. Ez egy hatékony eszköz az új terápiák tervezésére is ” - jegyezte meg Aleksander Popel, Ph.D., az orvosbiológia professzora és a Johns Hopkins Egyetem rendszerbiológiai laboratóriumának igazgatója.

Az angiogenezisről ismert, hogy több mint 70 különböző betegségben vesz részt. Egyes esetekben, mint például a rák és az időskori makuladegeneráció, a véredények túlzott kihajtása, míg mások (például a perifériás vagy koszorúér-betegség) elégtelen angiogenezissel jellemezhetők.

A számítási modellezés, a bioinformatika, valamint az in vitro és in vivo kísérleti módszerek a fő megközelítések, amelyek Dr. Popel laborjában konvergálnak, hogy jobban megértsék az angiogenezis mechanizmusait. Ígéretet mutatnak az új terápiás szerek tervezésére is. Ezen megközelítések alkalmazásával dr.Popel laborja számos kulcsfontosságú vaszkuláris endoteliális növekedési faktor (VEGF) családtag bevonását jellemezte az angiogenezisbe, számos modellt írt le különböző alkalmazásokhoz, és validált modell előrejelzéseket in vitro kísérletek és in vivo állatmodellek ellen, például rák és ischaemiás betegség ellen .

A Popel laboratórium kutatói jelenleg olyan pro- és anti-angiogén VEGF terápiákhoz való szerek beadását szimulálják, amelyek szisztémásan vagy géntranszferrel bevezethetők, hogy megértsék, hogyan befolyásolják a növekedési faktorok egyensúlyát az egész szervezetben. A laboratórium rekonstruálta azt a biokémiai hálózatot is, amely magában foglalja a hipoxia által indukálható 1α faktort (HIF1α), egy transzkripciós faktort, amely a VEGF-től felfelé működik, és több mint 200, a hipoxiás válaszban szerepet játszó gént szabályoz. A csoport kifejlesztett egy modellt, amely elmagyarázza, hogy az ischaemia és a rák, például a reaktív oxigénfajok és az antioxidánsok hogyan befolyásolják a jelátvitelt ezen az úton.

A mobilhálózatok megértése

A modell organizmus S. cerevisiae táplálta a biológia legfontosabb előrelépéseit, és segített a tudósoknak megérteni a kulcsfontosságú fogalmakat a jelátvitelre és a DNS -javításra, a rákra, a neurodegeneratív és kardiovaszkuláris patológiára, valamint a koleszterin -anyagcserére kiterjedő területeken.

A biokémiai folyamatok szabályozásába való betekintés hatékony módja a fehérje-fehérje kölcsönhatások feltárása. A kutatók becslése szerint az interakciók teljes száma a S. cerevisiae 10 000 és 40 000 között mozog. Bár sok módszer vizsgálja a fehérje-fehérje kölcsönhatásokat in vitro, fontos kérdés, hogy ezek a kölcsönhatások mennyire tükrözik az in vivo sejtes kontextus pontos tükröződését.

Stephen Michnick, Ph.D., a Montreali Egyetem biokémia professzora és a Kanadai Integratív Genomikai Kutatószék bemutatta a Cold Spring Harbor-i helyszínen végzett munkáját, amelyet több munkatársával együtt végzett a S. cerevisiae fehérje interakciós hálózat in vivo. A csapat kihasználta a fehérje fragmentum komplementációs vizsgálatot. Két érdeklődésre számot tartó fehérjét, amelyek mindegyike egy riporterfehérje komplementer fragmenseivel van fuzionálva, összehoznak, és helyreállítják a riporteraktivitást, ha kölcsönhatás jön létre közöttük.

A fehérje-fehérje kölcsönhatások genomra kiterjedő szűrése 2770 interakciót azonosított 1124 endogén módon expresszált fehérje között, és 8 nm-es felbontású fehérje-topológiai térképet hozott létre, amely értékes keretet ígér a jövőbeli vizsgálatokhoz. A korábbi jelentésekkel való összehasonlításból kiderült, hogy a felmérés során feltárt legtöbb interakció korábban ismeretlen volt, ami az élesztőfehérje interakció még fel nem fedezett jellemzőire mutat.

„A legfontosabb az, hogy ezeket a tényeket hasznosítsuk, mert most tanulmányozhatjuk az élő sejtek közötti kölcsönhatásokat, és manipulálhatjuk az élő sejteket gyógyszerekkel és a tápanyagok változásával. Megkérdezhetjük, hogyan szervezi újra magát a hálózat, és mit jelentenek ezek a változások? Olyan új dolgokat tehetünk, amelyeket más megközelítésekkel nem tudtunk, és megismerhetjük az interaktóma dinamikáját” – mondta Dr. Michnick.

Számítógépes eszközök

A robusztus számítási eszközök minden rendszerbiológiai alkalmazás mozgatórugója. „Az én szemszögemből, amely főként számítási jellegű, meg vagyok győződve arról, hogy kifinomult algoritmusok használatával valóban sokkal messzebbre tudjuk tolni a rendszerbiológiai tanulmányokat” – mondta Ron Shamir, Ph.D., a számítástechnika professzora és Sackler bioinformatikai tanszéke. a Tel Avivi Egyetemen.

„Nagyon hiszek abban, hogy olyan kifinomult ad-hoc eszközöket használhatunk, amelyek olyan megközelítésen alapulnak, amely ötvözi a jó algoritmusokat és a kérdés mögött álló biológia alapos megértését.”

A CSHL találkozón Dr. Shamir megvitatta a csoportja által az eszközfejlesztéshez nyújtott hozzájárulásokat. A MATISSE, egy algoritmus, amely képes elemezni a genomléptékű interakciós és expressziós adatokat, és kimutatni a funkcionális modulokat, már most is fontos eszköz, amelyet a kutatócsoportok világszerte használnak. A MATISSE-t és képességeit kibővítve a Shamir labor legutóbb bevezette a CEZANNE-t, egy új módszert a funkcionálisan együttesen kifejezett utak kinyerésére.

Ezeknek a módszereknek az egyik legjobb bizonyítéka a nemrégiben megjelent együttműködési tanulmány, amelyet Jeanne Loring, a Ph.D. Scripps -i csoportjával közösen végeztek, és amely körülbelül 150 őssejtvonalból álló gyűjteményt kategorizált az expressziós profiljuk alapján . Ez a tanulmány egy Plurinet nevű fehérje-fehérje alhálózatot talált, amely szorosan kapcsolódik a pluripotenciához.

Ezenkívül a Shamir laborban kifejlesztett más algoritmusokat is használtak a páciensadatok vizsgálatában, és azonosították a betegség-specifikus szabályozatlan alhálózatokat. Az elemzés, amely az eset-kontroll adatokat, valamint különféle klinikai paramétereket, például életkort a kezdeti életkor és a metasztázisig eltelt idő mellett a betegség folyamatának jobb megértéséhez vezethet.

Ellentétben az előre meghatározott útvonalakat használó korábbi tanulmányokkal, ezek a rendszerbiológiai eszközök arra az indoklásra támaszkodnak, hogy a kis összefüggő alhálózatokat alkotó koexpresszált génkészleteknek meg kell felelniük a sejtekben lezajló útvonalaknak vagy folyamatoknak. Ezért az algoritmusok megvizsgálják a teljes fehérje interakciós hálózatot, és olyan alhálózatokat keresnek, amelyeket magas válaszjel jellemez, és amelyek összekapcsolódnak.

„Megközelítésünk előnye, hogy nincs szükség ezekre az előre meghatározott készletekre – magyarázta Dr. Shamir –, mert mindig van némi kétértelműség azzal kapcsolatban, hogy mi minősül útvonalnak. Az útvonalakkal kapcsolatos jelenlegi ismereteink hiányosak, emellett nehéz meghatározni a határt az útvonal és a hálózat többi része között.

„Az útvonalak átfedik egymást, mindig van áthallás, és úgy találjuk, hogy jobb algoritmikusan azonosítani az alhálózatot adatok alapján, a teljes fehérje-kölcsönhatási hálózatot felhasználva forrásként.”

Mivel a rendszerbiológia elengedhetetlen eszközzé válik a dinamikus sejtes események kihallgatásához, ígéretet tesz arra, hogy az elkövetkező években mélyen átalakítja a társadalmat. Bár minden megközelítés a maga módján erőteljes, csak több, a biológiát, a fizikát, a kémiát, a matematikát és a számítástechnikát felölelő kísérleti eszközök integrálásával, vagy „az összes ismert összeg összevonásával egy egésszé”. Erwin Schrödinger több mint fél évszázaddal ezelőtt azt írta, hogy a legpontosabb és legértelmesebb képet lehet kapni, függetlenül attól, hogy milyen tudományos kérdésről van szó.


Törzs javítási módszerek

A törzsjavítás a fermentáció egyik alapvető lépése a lehető legnagyobb hozam elérése érdekében, és gazdaságos. Ez elsősorban a fermentációs folyamatban részt vevő termelési törzs hatékonyságától függ. Az elsődleges és másodlagos szűréssel kapott aktív mikrobatörzsek nem olyan hatékonyak, mint a fermentációs folyamatokban használhatók. Ezért az ilyen törzseket javítani kell a nagy hozamú vegyületek előállításához. A törzsjavítás fő céljai a következők:

(1) Rendkívül stabil és fertőzésálló törzsek előállítása.

(ii) Nagy hozamú törzsek előállítása, amelyek gazdaságosabbá teszik az eljárást.

(iii) Olyan törzs előállítása, amely ellenáll a közepes összetevőknek, és elviseli az alacsony oxigénfeszültséget.

(iv) Morfológiailag kedvező törzs előállítása.

(v) Minden nemkívánatos összetevő könnyű eltávolítása a bioaktív törzsből. A mikrobiális törzsek javítása mutációs és DNS-transzfer technikákkal érhető el.

Mutáció: A mikrobiális sejtek természetes sejtosztódással megváltoztatják saját tulajdonságaikat. Ezeket a törzseket mutánsoknak nevezik. A változásokért felelős tényezőket mutagéneknek, a folyamatot mutációnak nevezik. Mutagén ágensek az UV-sugárzás, röntgensugarak, gamma-sugárzás, kobalt 60, nitrogénmustár, etidium-bromid, 5-brómouracil, nalidixsav stb. A mutációs technikák általános protokollja az alábbiakban található. Ezeket a mutánsokat főleg két kategóriába sorolják, mint például auxotróf mutánsok és analógokkal szemben rezisztens mutánsok.

A törzsek izolálása természetes forrásokból

Elsődleges és másodlagos szűrés bioaktív törzsekre

Válasszon különböző típusú bioaktív törzseket

Mutagén kezelés (UV, röntgen, 60CO, NTG stb.).

Válasszon magasabb hozamú törzseket

2.8. ábra: Általános módszer mutációra

A mikroorganizmusok nem képesek több metabolitot szintetizálni, minthogy korlátozzák a sejtek szükségleteit, mivel a sejtek rendelkeznek bizonyos szabályozó mechanizmusokkal, amelyek szabályozzák a metabolitok szintézisét. Ezen szabályozó mechanizmusok elnyomása szükséges a törzsek kifejlesztéséhez, hogy a szükséges metabolitok nagyobb hozamát állítsák elő. Specifikus mutánsokat fejlesztettek ki, amelyek elvesztették a képességüket a végtermék egyikének szintetizálására, amely képes visszacsatolás gátlására vagy visszacsatolásra. A visszacsatolás gátlása a végtermék túlzott felhalmozódását jelenti, amely gátolja a reakciót katalizáló enzim aktivitását vagy erősségét. A visszacsatolás elnyomása a végtermék túlzott felhalmozódását jelenti, ami gátolja a reakciót katalizáló enzim szintézisét. Ez azzal magyarázható, hogy figyelembe vesszük azt a helyzetet, amikor két végtermék (X és Y) elágazó bioszintetikus úton keletkezik a ‘A’ szubsztrátból, amint az a 2.9. ábrán látható.

A termék (elsődleges metabolit) visszacsatolt gátlást mutathat saját termelésében azáltal, hogy gátolja az enzimet, amely katalizálja a reakciót, és ‘B ” képződik a ‘A -ból. Az X termék a reakciót katalizáló enzim gátlását mutatja: ‘C ’ és P.

A Corynebacterium glutamicum és a Brevibacterium flavum fontos aminosavat (lizint) termel elsődleges metabolitként. Ezek a szervezetek más aminosavakat is termelnek, például treonint és metionint. Az útvonalat (2.10. ábra) visszacsatolás gátolja a lizin és treonin keveréke, amely szabályozza az aszpartát-kináz aktivitását. Ha ez a két aminosav végtermékként felhalmozódik, akkor szintézisüket gátolja az enzimaktivitás gátlása. Az ilyen típusú vezérlést ‘abszolút visszacsatolás gátlásnak nevezik. A specifikus mutánsok izolálása segíthet elkerülni az enzimaktivitás gátlását. Ez az izolált mutáns nem katalizálhatja az aszparaginszemialdehid homoszerinné történő átalakulását, ezért megakadályozza a treonin és a metionin képződését. Egy mutáns képes szaporodni homoszerinnel kiegészített tápközegben, és a szervezetet ‘homoszerin auxotrófnak’ nevezik. Ezt a tápanyaghiányos mutánst olyan tápközegben tenyésztik, amely alacsony treonin- és metionin-koncentrációval támogatja a növekedést, de nem elegendő treonin-koncentrációval ahhoz, hogy együttműködjön a lizinnel az aszpartátum kináz aktivitás gátlásában. Ezért a Corynebacterium glutamicum lizintermelése nő.

A penészgombák, aktinomiceták és spóraképző baktériumok főként másodlagos metabolitokat (pl. Antibiotikumokat) termelnek az erjedés során. A másodlagos metabolitokat túltermelő mutánsok izolálására szolgáló technikák nehezebbek, mivel nagyon kevés információ áll rendelkezésre a termelés szabályozására. Egy antibiotikum hozama különböző géntípusoktól is függ, nehéz olyan egyedi mutációkat találni, amelyek növelhetik a bioaktív törzsek hozamát. A média összetétele és a környezeti feltételek is erősen befolyásolják az antibiotikumok termelését. Különféle genetikailag javított törzseket fejlesztettek ki mutációval a hozam növelése érdekében. Az izolált tenyészetet mutagénnel kezeljük, majd a mutáns telepek aktivitását teszteljük.

Az izolátum spóraszuszpenziója (pl. Aenicillium chrysogenium)

A mutáció túlélői agar táptalajon nőttek

Válassza ki az adott telepeket (150-200 telep), és külön szuszpendálja sós vízben

Mindegyik tenyészetet ismét folyékony közegbe oltjuk be az oltóanyag kifejlesztéséhez

Minden oltóanyagot termelőközegbe oltunk

A legjobb antibiotikum-termelőket azonosítják (10-12 telep), újra tesztelik, törzstenyészetként tartják fenn és remutálják.

DNS transzfer technikák:

Különböző DNS-transzfer technikákat alkalmaznak a nagy hozamú törzsek előállítására. Ezeket a technikákat a DNS egészének vagy egy részének a donor sejtből a recipiens mikrobiális sejtbe történő átvitelével hajtják végre (a részletekért lásd ezt a cikket). Bakteriális rekombináció akkor következik be, amikor új génelrendeződések jönnek létre a DNS cseréje, eliminációja vagy beépítése révén. A rekombinációt különféle ipari törzsek előállítására alkalmazták.

A genetikai anyag átvitelére használt technikák a következők:


22.1 Prokarióta sokféleség

Ebben a részben a következő kérdéseket fogja megvizsgálni:

  • Mi a prokarióták evolúciós története?
  • Mik az extremofilek megkülönböztető jellemzői?
  • Miért nehéz prokarióták tenyésztése tanulmányi célokra?

Csatlakozás az AP ® tanfolyamokhoz

A közelmúltban a tudósok több kritérium alapján csoportosították az élőlényeket öt királyságba, beleértve a mag és más membránhoz kötött organellák hiányát vagy jelenlétét, a sejtfalak hiányát vagy jelenlétét, a többsejtűséget stb. Amint azt korábban megtudtuk, a prokarióták voltak az első olyan sejtek, amelyek 3,5-4,5 millió évvel ezelőtt fejlődtek ki a Földön, és nem rendelkeztek sejtmaggal és citoplazmaszervekkel. A 20. század végén a tudósok összehasonlították a kis alegységű riboszómális RNS szekvenciáit, ami alapvetőbb módszert eredményezett a szervezetek csoportosítására a Földön. A sejtmembránok szerkezetében és az rRNS -ben mutatkozó különbségek alapján Carl Woese és munkatársai a három domén rendszert javasolták. A Baktériumok domén az Eubacteria (baktériumok) birodalmának összes élőlényét tartalmazza, az Archaea domén a prokarióták többi részét, az Eukarya domén pedig az összes eukariótát tartalmazza, beleértve a protisták, gombák, növények és állatok. A prokarióták formájukban és funkciójukban nagy változatosságot mutatnak, és bőségesek és mindenütt jelen vannak. Amellett, hogy mérsékelt környezetben élnek, mint például az emberi emésztőrendszer, a prokarióták extrém körülmények között is előfordulnak (extremofilek), a forró forrásoktól a Nagy Sóstóig és az Antarktisz fagyos környezetéig.

Mivel a prokarióták sokféle környezetben élnek, többféle stratégiát fejlesztettek ki energiaigényeik kielégítésére, beleértve a kemoszintézist, a fotoszintézist, az anaerob sejtlégzést és az aerob sejtlégzést. A forró források és a hidrotermikus szellőzőnyílások lehettek azok a környezetek, amelyekben az élet elkezdődött, és fosszilis bizonyítékok vannak a mikrobiális szőnyegek jelenlétére körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt. A Föld történelmének első kétmilliárd éve alatt a légkörben nem volt elegendő mennyiségű oxigén, és csak az anaerob szervezetek tudtak élni. A cianobaktériumok a korai fototrófokból fejlődtek ki és megkezdték a légkör oxigénellátását. Az oxigénkoncentráció növekedése lehetővé teszi más életformák fejlődését más anyagcsere folyamatokkal. A legtöbb prokarióta inkább közösségekben él, gyakran biofilmeket alkotva.

Tanári támogatás

Miközben a diákok a szélsőséges környezetben élő mikroorganizmusokról olvasnak és beszélgetnek, emlékeztessék őket arra, hogy a prokarióta fajok is nagyon jól alkalmazkodnak a „normális” élőhelyekhez - mindazokhoz a területekhez és vizekhez, amelyekben a legtöbb más faj megtalálható. Útmutatja a tanulókat annak megértéséhez, hogy a prokarióták azon képessége, hogy alkalmazkodni tudnak a környezet ilyen széles köréhez, segít megmagyarázni, miért ők a Földön a leggyakoribb élőlények. Felajánlhat néhány statisztikát, amelyek ezt demonstrálják, vagy felkérheti a tanulókat, hogy kutassák és jelentsék a statisztikákat az osztálynak. (Például a teljes prokarióta biomassza körülbelül tízszerese a teljes eukarióta biomasszának, több prokarióta él egy maroknyi termékeny talajban, mint ahány ember valaha élt, és így tovább).

A szakaszban bemutatott információk és a kiemelt példák támogatják az AP ® Biology Curriculum Framework 1. nagy ötletében felvázolt koncepciókat. A tantervi keretrendszerben felsorolt ​​AP ® tanulási célok átlátható alapot biztosítanak az AP ® biológia kurzushoz, kérdezősködésen alapuló laboratóriumi tapasztalatokhoz, oktatási tevékenységekhez és AP ® vizsgakérdésekhez. A tanulási cél egyesíti a szükséges tartalmat a hét tudományos gyakorlat közül egyet vagy többet.

Nagy ötlet 1 Az evolúció folyamata vezérli az élet sokszínűségét és egységét.
Tartós megértés 1.D Az élő rendszerek keletkezését a természetes folyamatok magyarázzák.
Alapvető tudás 1.D.1 Számos hipotézis létezik a földi élet természetes eredetéről, amelyek mindegyike alátámasztja a tudományos bizonyítékokat.
Tudományos gyakorlat 6.3 A hallgató meg tudja fogalmazni a tudományos magyarázatok és elméletek finomításának vagy cseréjének okait.
Tanulási cél 1.29 A hallgató képes leírni a földi élet keletkezésére vonatkozó tudományos hipotézisek felülvizsgálatának okait.
Alapvető tudás 1.D.1 Számos hipotézis létezik a földi élet természetes eredetéről, amelyek mindegyike alátámasztja a tudományos bizonyítékokat.
Tudományos gyakorlat 6.5 A hallgató tud alternatív tudományos magyarázatokat értékelni.
Tanulási cél 1.30 A hallgató képes tudományos hipotézisek értékelésére a földi élet eredetéről.
Alapvető tudás 1.D.1 Számos hipotézis létezik a földi élet természetes eredetéről, amelyek mindegyike alátámasztja a tudományos bizonyítékokat.
Tudományos gyakorlat 4.4 A tanuló ki tudja értékelni az adatforrásokat, hogy válaszoljon egy adott tudományos kérdésre.
Tanulási cél 1.31 A hallgató képes értékelni az adatok pontosságát és jogszerűségét, hogy megválaszolja a földi élet eredetével kapcsolatos tudományos kérdéseket.
Alapvető tudás 1.D.2 Az élet a Földön 3,5-4,5 milliárd évvel ezelőtt alakult ki.
Tudományos gyakorlat 4.1 A hallgató meg tudja indokolni az adott tudományos kérdés megválaszolásához szükséges adatok kiválasztását.
Tanulási cél 1.32 A hallgató képes megindokolni a korai földi állapotokat feltáró geológiai, fizikai és kémiai adatok kiválasztását.

A Science Practice Challenge Questions további tesztkérdéseket tartalmaz ehhez a szakaszhoz, amelyek segítenek felkészülni az AP vizsgára. Ezek a kérdések a következő szabványokra vonatkoznak:
[APLO 2.35] [APLO 2.36] [APLO 2.37]

A prokarióták mindenütt jelen vannak. Lefednek minden elképzelhető felületet, ahol elegendő nedvesség van, és más élőlényeken belül és belül élnek. A tipikus emberi testben a prokarióta sejtek körülbelül tíz -egy számmal haladják meg az emberi test sejtjeinek számát. Minden ökoszisztémában ők alkotják az élőlények többségét. Egyes prokarióták olyan környezetben boldogulnak, amely a legtöbb élőlény számára barátságtalan. A prokarióták újrahasznosítják tápanyagok– esszenciális anyagok (mint például szén és nitrogén) – és új ökoszisztémák evolúciójának mozgatórugói, amelyek egy része természetes, más része pedig ember alkotta. A prokarióták már jóval a többsejtű élet megjelenése előtt voltak a Földön.

Prokarióták, a Föld első lakói

Mikor és hol kezdődött az élet? Milyen körülmények voltak a Földön az élet kezdetekor? A prokarióták voltak az első életformák a Földön, és évmilliárdokkal léteztek a növények és állatok megjelenése előtt. A Föld és holdja körülbelül 4,54 milliárd évesnek tekinthető.Ez a becslés a meteoritanyag, valamint a Földről és a Holdról származó egyéb szubsztrátumanyagok radiometrikus kormeghatározásából származó bizonyítékokon alapul. A korai Földnek egészen más légköre volt (kevesebb molekuláris oxigént tartalmazott), mint manapság, és erős sugárzásnak volt kitéve, így az első élőlények ott virágoztak volna, ahol jobban védettek, például az óceánok mélyén vagy a Föld felszíne alatt. Ebben az időben is gyakori volt a vulkáni tevékenység a Földön, ezért valószínű, hogy ezeket az első organizmusokat - az első prokariótákat - nagyon magas hőmérséklethez igazították. A korai Föld hajlamos volt a geológiai felfordulásra és a vulkánkitörésre, és a nap mutagén sugárzása bombázta. Az első organizmusok prokarióták voltak, amelyek ellenálltak ezeknek a zord körülményeknek.

Mikrobiális szőnyegek

Mikrobiális szőnyegek vagy nagy méretű biofilmek jelenthetik a Föld életének legkorábbi formáit, fosszilis bizonyíték van a jelenlétükre körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt. A mikrobiális szőnyeg egy többrétegű prokarióta lap (22.2. ábra), amely többnyire baktériumokat, de archeákat is tartalmaz. A mikrobiális szőnyegek néhány centiméter vastagok, és jellemzően ott nőnek, ahol különböző típusú anyagok érintkeznek, többnyire nedves felületeken. Az őket alkotó különböző típusú prokarióták különböző anyagcsere-utakat hajtanak végre, és ez az oka annak, hogy eltérő színük van. A mikrobiális szőnyegben lévő prokariótákat egy ragasztószerű ragadós anyag tartja össze, amelyet extracelluláris mátrixnak neveznek.

Az első mikrobiális szőnyegek valószínűleg energiájukat a hidrotermális szellőzőnyílások közelében talált vegyi anyagokból nyerték. A hidrotermikus szellőző egy törés vagy repedés a Föld felszínén, amely geotermikusan felmelegített vizet bocsát ki. A fotoszintézis mintegy 3 milliárd évvel ezelőtti fejlődésével a mikrobiális szőnyegekben egyes prokarióták szélesebb körben elérhető energiaforrást – a napfényt – kezdtek használni, míg mások még mindig a hidrotermikus szellőzőkből származó vegyi anyagoktól függtek az energia és az élelem érdekében.

Stromatolitok

A megkövesedett mikrobiális szőnyegek a Föld életének legkorábbi rekordját jelentik. A stromatolit üledékes szerkezet, amely akkor keletkezik, amikor ásványokat kicsapnak a vízből prokarióták egy mikrobiális szőnyegen (22.3. ábra). A stromatolitok réteges kőzeteket képeznek karbonátból vagy szilikátból. Bár a legtöbb stromatolit a múltból származó műtárgy, vannak olyan helyek a Földön, ahol a stromatolitok még mindig képződnek. Például növekvő stromatolitokat találtak a kaliforniai San Diego megyében lévő Anza-Borrego Desert State Parkban.

Az ókori légkör

A bizonyítékok azt mutatják, hogy a Föld fennállásának első két milliárd évében a légkör volt anoxikus, vagyis nem volt molekuláris oxigén. Ezért csak azok a szervezetek, amelyek oxigén nélkül is képesek növekedni -anaerob organizmusok – képesek voltak élni. Az autotróf szervezeteket, amelyek a napenergiát kémiai energiává alakítják, ún fototrófok, és a Föld kialakulását követő egymilliárd éven belül megjelentek. Azután, cianobaktériumok, más néven kék-zöld algák, egymilliárd évvel később ezekből az egyszerű fototrófokból fejlődtek ki. A cianobaktériumok (22.4. Ábra) megkezdték a légkör oxigénellátását. A megnövekedett légköri oxigén lehetővé tette a hatékonyabb O kifejlesztését2-hasznosító katabolikus utak. Megnyílt a föld a fokozott gyarmatosítás előtt is, mert néhány O2 O-vá alakul át3 (ózon) és az ózon hatékonyan elnyeli az ultraibolya fényt, amely egyébként halálos mutációkat okozna a DNS -ben. Végül az O növekedése2 koncentrációk lehetővé tették más életformák kialakulását.

Tudományos gyakorlati kapcsolat az AP® tanfolyamokhoz

A korai Föld nem volt vendégszerető a legtöbb ma ismert élet számára, jelentős mennyiségű geológiai felfordulással, vulkáni tevékenységgel és anoxikus légkörrel (ami azt jelenti, hogy nem volt oxigén). Ezért a földi élet eredete nagy érdeklődést mutat a tudósok számára.

Az egyik legkorábbi hipotézis arról, hogyan keletkezett az élet a Földön, a panspermia volt, amely a Kr. E. 5. században nyúlik vissza. A panszpermia az az elképzelés, hogy az élet a világegyetem különböző részein oszlik el olyan tárgyakon, mint a meteoroidok és az aszteroidák. Ha ez megtörténne, a szerves vegyületek és mikroorganizmusok képesek lennének túlélni az űr szélsőséges körülményeit.

Az 1960-as években azonban Stanley Miller és Harold Urey tudósok laboratóriumi kísérleteket végeztek, amelyek kimutatták, hogy bizonyos körülmények között szerves vegyületek, köztük aminosavak is képződhetnek szervetlen molekulákból és energiából, amelyek a korai szakaszban jelen voltak. a Föld körülményei. Ezt követően felfedezték a mélytengeri hidrotermális szellőzőnyílások mikrobiális szőnyegeinek 3,5 milliárd évre visszanyúló megkövesedett bizonyítékait. Következésképpen manapság számos hipotézis létezik arról, hogyan alakulhatott ki az élet a Földön.

Tevékenység

Végezzen internetes kutatást olyan megbízható weboldalak segítségével, amelyek aktuális tudományos bizonyítékokat tartalmaznak, amelyek alátámasztják azt az elképzelést, hogy 1) az élet a Földön keletkezett, és 2) hogy az élet egy földönkívüli objektumról, például aszteroidáról vagy üstökösről érkezett a Földre. Ezután döntse el, melyik ötletnek van több alátámasztó bizonyítéka. Legyen képes megindokolni a következtetését.

Gondolkozz el róla

Ha a szerves vegyületek, amelyek végül szervezeteket hoztak létre, mind a földön kívül, mind a Földön létrejöhettek, miért lenne kevésbé bonyolult, és így valószínűbb, hogy az élet a Földön képződik?

Gondolkozz el róla

Annak ellenére, hogy Miller és Urey kimutatták, hogy szerves molekulák előállíthatók a korai Föld körülményeiből, miért vannak még mindig különböző hipotézisek arról, hogyan keletkezhetett az élet a Földön?

Tanári támogatás

Tevékenység:

Feltétlenül kalauzolja el a diákokat megbízható webhelyekre, például online tudományos folyóiratokhoz, kormányzati webhelyekhez és megbízható tudományos folyóiratokhoz.

  • Ez a kérdés az AP® tanulási célkitűzések 1.30 és 1.31, valamint a Science Practices 6.5 és 4.4 alkalmazásai, mivel a diákok alternatív hipotéziseket értékelnek, és adatforrásokat használnak az élet eredetével kapcsolatos kérdések megválaszolására.

Gondoljon bele: Ügyeljen arra, hogy a hallgatókat megbízható webhelyekre irányítsa, például online tudományos folyóiratokhoz, kormányzati webhelyekhez és megbízható tudományos folyóiratokhoz.

  1. Valószínűbb, hogy az élet a Földön képződött, mert mindkét esetben valamilyen módon szerves vegyületeket kellett volna kialakítani. A Földről induló élet lenne a leegyszerűsített magyarázat, mert a szerves vegyületeknek vagy mikroorganizmusoknak nem kellett volna túlélniük az űrben való utazást.
    • Ez a kérdés az AP® 1.30-as és 1.31-es tanulási célkitűzéseinek, valamint a 6.5-ös és 4.4-es Science Practices-nek az alkalmazása, mivel a diákok alternatív hipotéziseket értékelnek, és adatforrásokat használnak az élet eredetével kapcsolatos kérdések megválaszolására.
  2. Számos hipotézis létezik, mert a Miller-Urey kísérlet csak azt mutatta, hogy szeretetlen szerves vegyületek keletkezhettek a Föld korai története során. Nem magyarázza meg, hogyan alakulhattak ezek a szerves vegyületek élő sejtekké. Ez a „lyuk” más hipotézisek kifejlődéséhez vezetett, például ahhoz az elképzeléshez, hogy az élet földönkívüli testekből érkezett.
    • Ez a kérdés az AP® 1.29 tanulási célkitűzéseinek és a 6.3. Tudományos gyakorlatnak az alkalmazása, mivel a diákok értékelik a tudományos hipotézisek létezésének és felülvizsgálatának okait.

A mikrobák alkalmazkodóképesek: Élet mérsékelt és extrém környezetben

Egyes szervezetek olyan stratégiákat dolgoztak ki, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy túléljék a zord körülményeket. A prokarióták sokféle környezetben boldogulnak: egyesek olyan körülmények között nőnek, amelyek nagyon normálisnak tűnnek számunkra, míg mások képesek olyan körülmények között fejlődni és növekedni, amelyek megölnek egy növényt vagy állatot. Szinte minden prokariótának van sejtfala, védő szerkezete, amely lehetővé teszi számukra, hogy túléljenek mind hiper-, mind hipo-ozmotikus körülmények között. Egyes talajbaktériumok képesek endospórákat képezni, amelyek ellenállnak a hőnek és az aszálynak, ezáltal lehetővé téve a szervezet túlélését a kedvező feltételek megismétlődéséig. Ezek az alkalmazkodások, másokkal együtt, lehetővé teszik, hogy a baktériumok a legelterjedtebb életforma legyen minden szárazföldi és vízi ökoszisztémában.

Más baktériumok és archeák alkalmazkodnak a szélsőséges körülmények közötti növekedéshez, és ún extremofilek, azaz „a szélsőségek szerelmesei”. Az extremofilek mindenféle környezetben megtalálhatók: az óceánok mélységében, a forró forrásokban, az Északi-sarkvidéken és az Antarktiszon, nagyon száraz helyeken, mélyen a Föld belsejében, durva kémiai környezetben és erős sugárzású környezetben (22.5. ábra). hogy néhányat említsek. Ezek az organizmusok jobb megértést adnak a prokarióta diverzitásról, és megnyitják a lehetőséget olyan új prokarióta fajok megtalálására, amelyek új terápiás gyógyszerek felfedezéséhez vezethetnek, vagy ipari alkalmazásokhoz vezethetnek. Mivel speciális alkalmazkodásaikkal extrém körülmények között élhetnek, sok extremofil nem tud túlélni mérsékelt környezetben. Az extremofileknek sok különböző csoportja van: azokat a feltételek alapján azonosítják, amelyek között a legjobban fejlődnek, és számos élőhely többféleképpen szélsőséges. Például a szódabikarbóna sós és lúgos is, ezért a szódabikarbónában élő szervezeteknek alkalifileknek és halofileknek is kell lenniük (22.1. Táblázat). Más extremofilek, mint pl rádióálló élőlények, nem kedvelik a szélsőséges környezetet (ebben az esetben a magas sugárzási szintet), de alkalmazkodtak a túléléshez (22.5. ábra).

Extremofil típus Az optimális növekedés feltételei
Acidofilek pH 3 vagy annál alacsonyabb
Alkalifilek pH 9 vagy magasabb
Termofilek Hőmérséklet 60–80 ° C (140–176 ° F)
Hipertermofilek Hőmérséklet 80–122 ° C (176–250 ° F)
Pszikrofilek Hőmérséklet -15-10 ° C (5-50 ° F) vagy alacsonyabb
Halofilek A sókoncentráció legalább 0,2 M
Osmofilek Magas cukorkoncentráció

Prokarióták a Holt -tengeren

A nagyon zord környezet egyik példája a Holt -tenger, egy hiperszalinos medence, amely Jordánia és Izrael között található. A hipersaline környezet lényegében tömény tengervíz. A Holt -tengeren a nátrium -koncentráció 10 -szer magasabb, mint a tengervízé, és a víz nagy mennyiségű magnéziumot tartalmaz (körülbelül 40 -szer magasabb, mint a tengervízben), ami mérgező lenne a legtöbb élőlényre. A vas, a kalcium és a magnézium, amelyek kétértékű ionokat képeznek (Fe 2+, Ca 2+ és Mg 2+ ), úgynevezett „kemény” vizet állítanak elő. A kétértékű kationok magas koncentrációja, a savas pH-érték (6,0) és az intenzív napsugárzási fluxus együttesen egyedülálló, és egyedülállóan ellenséges ökoszisztémává teszi a Holt-tengert 1 (22.6. ábra).

Milyen prokarióták találhatók a Holt-tengerben? A rendkívül sótűrő bakteriális szőnyegek közé tartozik Halobacterium, Haloferax volcanii (ami más helyeken is megtalálható, nem csak a Holt -tengeren), Halorubrum sodomense, és Halobaculum gomorrense, és az archaea Haloarcula marismortui, többek között.

Kulturálhatatlan prokarióták és az életképes, de nem kulturálható állam

A mikrobiológusok tipikusan prokariótákat termesztenek a laboratóriumban egy megfelelő tenyésztő táptalaj használatával, amely tartalmazza a célorganizmus számára szükséges tápanyagokat. A közeg lehet folyékony, húsleves vagy szilárd. A megfelelő hőmérsékleten végzett inkubációs idő után bizonyítéknak kell lennie a mikrobaszaporodásra (22.7. ábra). A baktériumok tenyésztésének folyamata összetett, és a modern tudomány egyik legnagyobb felfedezése. Robert Koch német orvos nevéhez fűződik a tiszta kultúra technikáinak felfedezése, beleértve a festést és a növekedési táptalajok használatát. Asszisztense, Julius Petri feltalálta a Petri-csészét, amelyet a mai laboratóriumokban is alkalmaznak. Koch elsősorban a Mycobacterium tuberculosis baktérium, amely tuberkulózist okoz, és posztulátumokat fejlesztett ki az orvosi közösségben továbbra is széles körben használt, betegséget okozó szervezetek azonosítására. Koch posztulátumai között szerepel, hogy egy szervezet akkor azonosítható betegség okozójaként, ha minden fertőzött mintában jelen van, és minden egészséges mintában hiányzik, és többszöri tenyésztést követően képes reprodukálni a fertőzést. Ma a kultúrák továbbra is az elsődleges diagnosztikai eszköz az orvostudományban és a molekuláris biológia más területein.

Egyes prokarióták azonban nem tudnak laboratóriumi körülmények között növekedni. Valójában a baktériumok és archaeák több mint 99 százaléka tenyészthetetlen. Ez nagyrészt annak köszönhető, hogy nincsenek ismeretek arról, hogy mivel kell etetni ezeket az élőlényeket, és hogyan kell őket termeszteni. A növekedésre vonatkozó speciális követelményeik a tudósok számára ismeretlenek, például speciális mikroelemek, pH, hőmérséklet, nyomás, stb. -faktorok vagy társ-metabolitok. Egyes baktériumok nem tenyészthetők, mert kötelező intracelluláris paraziták, és nem termeszthetők gazdasejten kívül.

Más esetekben a tenyészthető szervezetek stresszes körülmények között tenyészthetetlenné válnak, még akkor is, ha ugyanazt a szervezetet korábban tenyésztették. Azok a szervezetek, amelyek nem tenyészthetők, de nem haltak meg, a életképes, de nem művelhető (VBNC) állapot. A VBNC állapot akkor következik be, amikor a prokarióták reagálnak a környezeti stresszorokra, és nyugalmi állapotba lépnek, amely lehetővé teszi a túlélésüket. A VBNC állapotba való belépés kritériumai nem teljesen érthetők. Az úgynevezett folyamatban újraélesztés, a prokarióta visszatérhet a „normális” élethez, ha a környezeti feltételek javulnak.

A VBNC állam szokatlan életmód a prokarióták számára? Valójában a talajban vagy az óceáni vizekben élő prokarióták többsége nem tenyészthető. Azt mondták, hogy a prokariótáknak csak kis része, talán egy százaléka tenyészthető laboratóriumi körülmények között. Ha ezek a szervezetek nem tenyészthetők, akkor honnan lehet tudni, hogy jelen vannak-e és élnek-e? A mikrobiológusok molekuláris technikákat, például polimeráz láncreakciót (PCR) használnak a prokarióták DNS -jének kiválasztott részeinek felerősítésére, bizonyítva azok létezését. Emlékezzünk vissza, hogy a PCR több milliárd másolatot készíthet egy DNS-szakaszról az amplifikációnak nevezett folyamat során.

A biofilmek ökológiája

Pár évtizeddel ezelőtt a mikrobiológusok úgy gondolták a prokariótákat, mint egymástól elszigetelt egyedeket. Ez a modell azonban nem tükrözi a prokarióták valódi ökológiáját, amelyek többsége olyan közösségekben szeretne élni, ahol kölcsönhatásba léphetnek. A biofilm egy mikrobiális közösség (22.8. ábra), amelyet egy gumiszerű mátrixban tartanak össze, amely elsősorban az organizmusok által kiválasztott poliszacharidokból, valamint néhány fehérjéből és nukleinsavból áll. A biofilmek a felületekhez rögzítve nőnek. A legjobban tanulmányozott biofilmek egy része prokariótákból áll, bár leírtak gombák biofilmjeit is, valamint néhányat, amelyek gombák és baktériumok keverékéből állnak.

A biofilmek szinte mindenhol jelen vannak: ipari környezetben csövek eltömődését okozhatják, és könnyen megtelepedhetnek a felületeken. A közelmúltban, az élelmiszerek bakteriális szennyeződésének nagyszabású kitöréseiben a biofilmeknek nagy szerepük volt. Ezenkívül gyarmatosítják a háztartási felületeket, például a konyhapultokat, vágódeszkákat, mosdókat és illemhelyeket, valamint az emberi test helyeit, például a fogaink felületét.

A biofilmet benépesítő organizmusok közötti kölcsönhatások, valamint a védő exopoliszzacharid (EPS) környezetük együttesen erősebbé teszik ezeket a közösségeket, mint a szabadon élő vagy planktonikus prokarióták. A ragadós anyag, amely összetartja a baktériumokat, kizárja a legtöbb antibiotikumot és fertőtlenítőszert is, így a biofilm baktériumok keményebbek, mint plankton társaik. Összességében elmondható, hogy a biofilmeket nagyon nehéz elpusztítani, mivel ellenállnak a sterilizálás számos gyakori formájának.


Következtetés

Áttekintettük a túlcsordulás-anyagcsere 15 különböző modelljét, kezdve a fluxus-egyensúly elemzésektől a nemlineáris öngyártó modellekig, például a metabolizmus és az expressziós modellekig. Annak ellenére, hogy sok különbség van a modellek között, mindegyik matematikai magját átírhatnánk tömör szabványos formába. Ez a szabványos forma extrémum-elvvel elemezhető, kimondva, hogy az elemi módusok száma maximális növekedésnél kisebb vagy egyenlő, mint a növekedést korlátozó kényszerek száma. Az extrémum elv azt jelenti, hogy a túlcsordulási anyagcserét legalább két növekedést korlátozó korlát okozza. Ezért az összes felülvizsgált modellt felsoroltuk a javasolt megszorításokkal együtt. Reméljük, hogy ez a lista hipotézisek forrásaként szolgál majd, amelyeket most hamisítási kísérletekkel lehet tesztelni.


Adatok és anyagok elérhetősége

A gapseq bash shell scriptként és R -ben van megvalósítva, és szabadon elérhető a GNU General Public License (v3.0) alatt a GitHub -on (https://github.com/jotech/gapseq/). A gapseq dokumentációja és oktatóanyagai a https://gapseq.readthedocs.io oldalon találhatók. Az ebben a kéziratban bemutatott összes eredmény a gapseq 1.1-es verziójával készült, amely a GitHubon archivált [63], és elérhető a Zenodo-tól [132]. A modellépítéshez és validáláshoz használt adatkészleteket a kézirat megfelelő részein idézett, nyilvánosan hozzáférhető adatbázisokból és publikációkból szereztük be. Az ebben a tanulmányban használt benchmarking tesztekhez használt szkriptek és adatok a GitHub adattárából érhetők el, https://github.com/Waschina/gapseqEval.


Az organellumok olyan sejtkomponensek, mint a magok, mitokondriumok vagy riboszómák. Ezeknek a vegyületeknek az izolálása néha szükséges tanulmányozásukhoz. Ehhez számos technika lehetséges, például sűrűséggradiens -elválasztás (centrifugálás) vagy affinitás -tisztítás (kromatográfia).

Az állatkísérletek felváltása ex vivo és in vitro modellekkel

Minden gyógyszerfejlesztés egyedi folyamatot követ a gyógyszerjelölt azonosítás, validálás és optimalizálás, a preklinikai és klinikai protokollok, valamint a marketing tekintetében. A gyógyszerfejlesztési fázisokban azonban van néhány általános vázlat, amelyeket itt ismertetünk.

Az in vivo (a latin "élőben" szóból) egy olyan kísérlet, amelyben egy teljes élő szervezetet használnak, szemben egy részleges vagy halott szervezettel, vagy egy ellenőrzött in vitro környezettel. Az állatkísérletek és a klinikai vizsgálatok egyaránt az in vivo kutatás formái. Az in vivo teszteket történelmileg inkább az in vitro tesztek helyett alkalmazzák, mivel jobban alkalmasak egy kísérlet élő alanyra gyakorolt ​​összhatásának megfigyelésére, és a szabályozási keretben szükség lehet rájuk.

Az ex vivo (latinul "élőn kívül") arra utal, ami egy szervezeten kívül történik. A tudományban az ex vivo olyan kísérletekre vagy mérésekre vonatkozik, amelyeket szöveteken vagy azokon végeznek a szervezeten kívüli mesterséges környezetben, a természeti feltételek minimális megváltoztatásával. Egy széles körben alkalmazott ex vivo vizsgálat a chickchorioallantoid membrán teszt (CAM). A kozmetikai kutatásban és fejlesztésben általában más bőrkiültetési vizsgálatokat alkalmaznak.

A kísérleti biológiában az in vitro (a latin „üvegben”) vizsgálatok azok, amelyeket egy szervezet szokásos biológiai környezetükből izolált komponenseinek felhasználásával végeznek. A sejttenyészet az in vitro modellek egyik típusa. A háromdimenziós (3D) in vitro sejttenyésztés nagymértékben fejlődött az elmúlt években, különösen a gélmátrixok használatával.A 3D tenyészet jobban reprezentálja az in vivo környezetet, különösen a sejt-sejt kölcsönhatásokban. Léteznek komplex in vitro rekonstrukciós modellek, például rekonstruált epidermisz modellek.

  1. Releváns alternatív megoldások kifejlesztése - tesztek panelje a mai, csak állatokkal kapcsolatos kérdések megválaszolására
  2. Csökkentse a komplex ex vivo vagy in vitro modellek költségeit
  3. Felkészülés a szabályozási szintre való áttérésre

Sejtvonalak: kiválasztási kritériumok

A sejtvonalak számos laboratórium kutatómunkájának alapját képezik. Választásuk döntő fontosságú, és tájékozott módon kell meghozni, figyelembe véve az alábbi kritériumokat.

A sejtvonal hitelessége

Egy adott adatbázisban több mint 400 tévesen azonosított sejtvonal található. Ekkor fontos, hogy amikor új sejtvonallal kezd dolgozni, győződjön meg arról, hogy azt gondolja. Győződjön meg arról, hogy a sejtvonalat egy megbízható cellabankból szerezte be, például ATCC, DSMZ vagy ECACC.

Ellenőrizze a szennyeződést

Annak ellenére, hogy a sejttenyészet mikoplazma-fertőzésével kapcsolatban hibás vagy nem reproduktív eredmények állnak fenn, gyakran figyelmen kívül hagyják őket a mikroorganizmus mérete és más baktériumokkal szembeni szerkezeti különbségei miatt. Számos teszt létezik azonban a mikoplazma hiányának igazolására: PCR, ELISA, DNS-jelölés, növekedési tesztek stb.

Inkább alacsony áthaladási számot részesítsen előnyben

A sejtvonalak bizonyos genetikai instabilitást mutatnak: minden osztódásnál a hibák beépülnek a sejtek genomjába, ami idővel különbségeket hoz létre. Ezeket a különbségeket rendszeresen feltárják az ekvivalens elsődleges és tenyésztett sejtvonalak profiljainak összehasonlításával, amelyek nagy számú passzuson estek át. A bevált gyakorlatok közé tartozik a megfelelő aluláteresztő sejtek állományából történő rendszeres kiindulás (2-3 hónap, a származástól függően), és az egyes kísérletek becsült áthaladási számának megadása.

Minden biológiai kérdésnél előnyös sejtvonal?

Ha a biológiai kérdés összefügghet egy adott patológiával, akkor elengedhetetlen a sejtvonal kiválasztása, amely aztán a betegség "modellje" lesz. De a választás, bármennyire kritikus is, nem mindig nyilvánvaló. A kutatás kiindulópontjaként a Cancer Cell Line Encyclopaedia (CCLE) nyilvános hozzáférést biztosít körülbelül 1000 sejtvonal genetikai adataihoz, és segíti a választást. A másik referenciaforrás a COSMIC (Catalog of Somantic Mutations in Cancer) adatbázis, amely adatokat is szolgáltat a rákos sejtvonalak mutációiról.

Ha a biológiai kérdés független egy adott patológiától, akkor a referencia törzsek jellemzően azok, amelyeket a korábbi kutatómunkában használtak. Ez a megközelítés azonban torzítást vezet be, mivel egyes sejtvonalakat jobban használnak, mint mások.
A megfelelő tudományos megoldás lehet például, ha több sejtvonalat tesztelnek egy már validált teszten, ami megerősíti az egész vizsgálat során használt vonalon végzett megfigyelések relevanciáját.

Keresse blogcikkünket a HeLa sejtekről, hogy többet tudjon meg erről a sejtvonalról 75 000 tudományos cikk segítségével!

A különböző típusú szolgáltatók

A sejtkultúrában több szereplő vesz részt: szolgáltató cégek, sejtbankok és speciális akadémiai platformok.

Szolgáltató cégek

Számos szolgáltató cég gyárt olyan eszközöket a sejttenyésztéshez, mint az explantátumok, specifikus táptalajok. A szakosodott vállalatok stabil sejtvonalakat vagy indukált pluripotens sejteket (IPSC -ket) is létrehozhatnak, és teszteket végezhetnek rajtuk.

Sejtbankok

Az elsődleges vonalakat és sejtvonalakat jellemzően magán- vagy állami cellabankok biztosítják.

Akadémiai struktúrák

A sejtbiológiára szakosodott akadémiai platformok képességeiktől függően in vitro teszteket kínálnak.

Miért áll le (vagy folytatja) az elsődleges kultúra növekedését?

Az elsődleges sejttenyésztés a sejtek disszociációja az állati vagy növényi szülőszövetből enzimatikus vagy mechanikai intézkedésekkel, és a sejtnövekedés fenntartása megfelelő szubsztrátumban, üveg- vagy műanyag tartályokban, ellenőrzött környezeti feltételek mellett.

Az elsődleges kultúrákból származó sejtek élettartama korlátozott. A sejteket több okból sem lehet a végtelenségig tárolni. A sejtek számának növelése az elsődleges tenyészetben a szubsztrát és a tápanyagok kimerülését okozza. Ezenkívül a sejtaktivitás fokozatosan növeli a toxikus metabolitok szintjét a tenyészetben, ami gátolja a sejtek növekedését.

A sejteket ezután újraszuszpendálhatjuk és új táptalajba helyezhetjük, így eltávolíthatjuk a toxikus metabolitokat. Ez alkotja a másodlagos kultúrát, a cél az, hogy nagyobb számú sejtet állítsunk elő, és hogy a kultúrákat életben tartsuk. Fennáll azonban annak a veszélye, hogy a sejtek fejlődhetnek, átalakulhatnak vagy genetikai módosításokat szerezhetnek. A teszt minőségét az elemzési és értelmezési képesség határozza meg.

Használt technológiák

Organizmus minták előkészítése

Elválasztási módszerek - centrifugálás

Az ilyen típusú szolgáltatások becsült díjai

150 € - 1500 € sejtvonalonként vagy elsődleges tenyészetenként
Egy in vitro teszt általában 1000 eurótól kezdődik.
Az explancia teszt 5000 € - 10 000 € -tól kezdődik.


22.1 Prokarióta sokféleség

Ennek a szakasznak a végére a következőket teheti:

  • Ismertesse a prokarióták evolúciós történetét!
  • Beszélje meg az extremofilek megkülönböztető jellemzőit
  • Magyarázza el, miért nehéz a prokarióták tenyésztése!

A prokarióták mindenütt jelen vannak. Lefednek minden elképzelhető felületet, ahol elegendő nedvesség van, és gyakorlatilag minden más élőlényen belül és belül is élnek. A tipikus emberi testben a prokarióta sejtek körülbelül tíz -egy számmal haladják meg az emberi test sejtjeinek számát. Minden ökoszisztémában ők alkotják az élőlények többségét. Egyes prokarióták olyan környezetben boldogulnak, amely a legtöbb élőlény számára barátságtalan. A prokarióták újrahasznosítják a tápanyagokat – az alapvető anyagokat (mint például a szén és a nitrogén) –, és új ökoszisztémák fejlődését mozdítják elő, amelyek egy része természetes, más része pedig ember alkotta. A prokarióták már jóval a többsejtű élet megjelenése előtt voltak a Földön. Valójában úgy gondolják, hogy az eukarióta sejtek az ősi prokarióta közösségek leszármazottai.

Prokarióták, a Föld első lakói

Mikor és hol kezdődött a sejtélet? Milyen körülmények voltak a Földön az élet kezdetekor? Ma már tudjuk, hogy a prokarióták valószínűleg a sejtes élet első formái voltak a Földön, és több milliárd évig léteztek a növények és állatok megjelenése előtt. A Föld és holdja körülbelül 4,54 milliárd éves. Ez a becslés a meteoritanyag, valamint a Földről és a Holdról származó egyéb szubsztrátumanyagok radiometrikus kormeghatározásából származó bizonyítékokon alapul. A korai Földnek nagyon más volt a légköre (kevesebb molekuláris oxigént tartalmazott), mint manapság, és erős napsugárzásnak volt kitéve, így az első organizmusok valószínűleg ott virágoztak, ahol jobban védettek, például a mély óceánban vagy a felszín alatt a Földről származó. Ebben az időben a Földön gyakori volt az erős vulkáni tevékenység, ezért valószínű, hogy ezeket az első organizmusokat - az első prokariótákat - nagyon magas hőmérséklethez igazították. Mivel a korai Föld hajlamos volt geológiai felfordulásra és vulkánkitörésre, és a nap mutagén sugárzása bombázta, az első organizmusok prokarióták voltak, amelyeknek ki kellett állniuk ezeknek a zord körülményeknek.

Mikrobiális szőnyegek

Mikrobiális szőnyegek vagy a nagy méretű biofilmek jelenthetik a prokarióta élet legkorábbi formáit a Földön, fosszilis bizonyíték van jelenlétükre körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt. Figyelemre méltó, hogy a sejtes élet csak egymilliárd évvel a Föld kialakulása után jelent meg, ami arra utal, hogy a sejt előtti „élet”, amely képes replikálni magát, sokkal korábban fejlődött ki. A mikrobiális szőnyeg egy többrétegű prokarióta lap (22.2. Ábra), amely többnyire baktériumokat, de régészeket is tartalmaz. A mikrobiális szőnyegek mindössze néhány centiméter vastagok, és jellemzően ott nőnek, ahol különböző típusú anyagok találkoznak, többnyire nedves felületeken. Az őket alkotó különböző típusú prokarióták különböző anyagcsere-utakat hajtanak végre, és ez az oka annak, hogy eltérő színük van. A mikrobiális szőnyegben lévő prokariótákat egy ragasztószerű ragadós anyag tartja össze, amelyet kiválasztanak extracelluláris mátrix.

Az első mikrobiális szőnyegek valószínűleg energiájukat a hidrotermális szellőzőnyílások közelében talált vegyi anyagokból nyerték. A hidrotermikus szellőző egy törés vagy repedés a Föld felszínén, amely geotermikusan felmelegített vizet bocsát ki. A fotoszintézis mintegy hárommilliárd évvel ezelőtti fejlődésével egyes mikrobiális szőnyegekben lévő prokarióták szélesebb körben elérhető energiaforrást – a napfényt – kezdtek használni, míg mások még mindig a hidrotermikus szellőzőnyílásokból származó vegyi anyagoktól függtek az energia és az élelem érdekében.

Stromatolitok

A megkövesedett mikrobiális szőnyegek a Föld életének legkorábbi rekordját jelentik. A stromatolit egy üledékes szerkezet, amely akkor képződik, amikor a prokarióták ásványi anyagokat csapnak ki a vízből egy mikrobiális szőnyegben (22.3. ábra). A stromatolitok réteges kőzeteket képeznek karbonátból vagy szilikátból. Bár a legtöbb stromatolit a múltból származó műtárgy, vannak olyan helyek a Földön, ahol a stromatolitok még mindig képződnek. Például növekvő stromatolitokat találtak a kaliforniai San Diego megyében lévő Anza-Borrego Desert State Parkban.

Az ókori légkör

A bizonyítékok azt mutatják, hogy a Föld fennállásának első kétmilliárd éve alatt a légkör anoxikus volt, vagyis nem volt molekuláris oxigén. Ezért csak azok a szervezetek, amelyek oxigén nélkül is képesek növekedni -anaerob organizmusok- tudtak élni. A napenergiát kémiai energiává alakító autotróf organizmusokat fototrófoknak nevezzük, és a Föld kialakulását követő egymilliárd éven belül jelentek meg. Ezután ezekből az egyszerű fototrófokból legalább egymilliárd évvel később fejlődtek ki a cianobaktériumok, más néven „kék-zöld algák”. Az ősi cianobaktériumok (22.4. Ábra) indították el a légkör „oxigenizációját”: A megnövekedett légköri oxigén lehetővé tette a hatékonyabb O fejlődését2-hasznosító katabolikus utak. Megnyílt a föld a fokozott gyarmatosítás előtt is, mert néhány O2 O-vá alakul át3 (ózon) és az ózon hatékonyan nyeli el az ultraibolya fényt, amely egyébként halálos mutációkat okozhatott volna a DNS-ben. A jelenlegi bizonyítékok arra utalnak, hogy az O2 koncentrációk lehetővé tették más életformák kialakulását.

A mikrobák alkalmazkodóképesek: Élet mérsékelt és extrém környezetben

Egyes szervezetek olyan stratégiákat dolgoztak ki, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy túléljék a zord körülményeket. Szinte minden prokarióta rendelkezik sejtfallal, olyan védőszerkezettel, amely lehetővé teszi számukra, hogy túléljenek hipertóniás és hipotóniás vizes körülmények között is. Néhány talajbaktérium képes képződni endospórák ellenállnak a hőnek és az aszálynak, ezáltal lehetővé téve a szervezet túlélését a kedvező feltételek megismétlődéséig. Ezek az alkalmazkodások – másokkal együtt – lehetővé teszik, hogy a baktériumok a legelterjedtebb életforma maradjanak minden szárazföldi és vízi ökoszisztémában.

A prokarióták sokféle környezetben boldogulnak: egyesek olyan körülmények között nőnek, amelyek nagyon normálisnak tűnnek számunkra, míg mások képesek olyan körülmények között fejlődni és növekedni, amelyek megölnek egy növényt vagy állatot. Azokat a baktériumokat és archaeákat, amelyek alkalmazkodtak a szélsőséges körülmények közötti növekedéshez, extremofileknek nevezik, ami azt jelenti, hogy „a szélsőségek kedvelői”. Extremofileket találtak mindenféle környezetben: az óceánok mélyén, a meleg forrásokban, az Északi -sarkon és az Antarktiszon, nagyon száraz helyeken, a Föld mélyén, a zord kémiai környezetben és a nagy sugárzású környezetben (22.5. hogy néhányat említsek. Mivel speciális alkalmazkodásaikkal extrém körülmények között élhetnek, sok extremofil nem tud túlélni mérsékelt környezetben. Az extremofileknek sok különböző csoportja van: azokat a feltételek alapján azonosítják, amelyek között a legjobban fejlődnek, és számos élőhely többféleképpen szélsőséges. Például a szódabikarbóna sós és lúgos is, ezért a szódabikarbónában élő szervezeteknek alkalifileknek és halofileknek is kell lenniük (22.1. Táblázat). Más extremofilek, mint például a sugárrezisztens szervezetek, nem kedvelik az extrém környezetet (jelen esetben a magas sugárzási szintet), hanem alkalmazkodtak a túléléshez (22.5. ábra). Az ehhez hasonló organizmusok jobb megértést adnak a prokarióta diverzitásról, és megnyitják a lehetőséget olyan új prokarióta fajok megtalálására, amelyek új terápiás gyógyszerek felfedezéséhez vezethetnek, vagy ipari alkalmazásokhoz vezethetnek.

Extremofil Az optimális növekedés feltételei
Acidofilek pH 3 vagy annál alacsonyabb
Alkalifilek pH 9 vagy magasabb
Termofilek Hőmérséklet 60–80 ° C (140–176 ° F)
Hipertermofilek Hőmérséklet 80–122 ° C (176–250 ° F)
Pszikrofilek Hőmérséklet -15-10 ° C (5-50 ° F) vagy alacsonyabb
Halofilek A sókoncentráció legalább 0,2 M
Osmofilek Magas cukorkoncentráció

Prokarióták a Holt -tengeren

A nagyon zord környezet egyik példája a Holt -tenger, egy hiperszalinos medence, amely Jordánia és Izrael között található. A hipersaline környezet lényegében tömény tengervíz. A Holt -tengeren a nátrium -koncentráció 10 -szer magasabb, mint a tengervízé, és a víz nagy mennyiségű magnéziumot tartalmaz (körülbelül 40 -szer magasabb, mint a tengervízben), ami mérgező lenne a legtöbb élőlényre. A vas, a kalcium és a magnézium, amelyek kétértékű ionokat képeznek (Fe 2+, Ca 2+ és Mg 2+ ), úgynevezett „kemény” vizet állítanak elő. A kétértékű kationok magas koncentrációja, a savas pH-érték (6,0) és az intenzív napsugárzási fluxus együttesen egyedülálló, és egyedülállóan ellenséges ökoszisztémává teszi a Holt-tengert 1 (22.6. ábra).

Milyen prokarióták találhatók a Holt-tengerben? A rendkívül sótűrő bakteriális szőnyegek közé tartozik Halobacterium, Haloferax volcanii (ami más helyeken is megtalálható, nem csak a Holt -tengeren), Halorubrum sodomense, és Halobaculum gomorrense, és a régész Haloarcula marismortui, többek között.

Kulturálhatatlan prokarióták és az életképes, de nem kulturálható állam

A baktériumok tenyésztésének folyamata összetett, és a modern tudomány egyik legnagyobb felfedezése. Robert Koch német orvos nevéhez fűződik a tiszta kultúra technikáinak felfedezése, beleértve a festést és a növekedési táptalajok használatát. A mikrobiológusok tipikusan prokariótákat termesztenek a laboratóriumban egy megfelelő tenyésztő táptalaj használatával, amely tartalmazza a célorganizmus számára szükséges tápanyagokat. A közeg lehet folyékony, húsleves vagy szilárd. A megfelelő hőmérsékleten végzett inkubációs idő után bizonyítéknak kell lennie a mikrobaszaporodásra (22.7. ábra). Koch asszisztense, Julius Petri feltalálta a Petri-csészét, amelyet a mai laboratóriumokban is alkalmaznak. Koch elsősorban a Mycobacterium tuberculosis baktérium, amely tuberkulózist okoz, és kidolgozott irányelveket, Koch -posztulátumokat, amelyek meghatározzák az egyes betegségekért felelős organizmusokat. Koch posztulátumait továbbra is széles körben használják az orvosi közösségben. Koch posztulátumai között szerepel, hogy egy szervezet akkor azonosítható betegség okozójaként, ha minden fertőzött mintában jelen van, és minden egészséges mintában hiányzik, és többszöri tenyésztést követően képes reprodukálni a fertőzést. Ma a kultúrák továbbra is az elsődleges diagnosztikai eszköz az orvostudományban és a molekuláris biológia más területein.

A Koch -posztulátumok teljes mértékben csak izolált és tenyészthető szervezetekre alkalmazhatók. Egyes prokarióták azonban nem tudnak laboratóriumi körülmények között növekedni. Valójában a baktériumok és az archaea több mint 99 százaléka az kulturálatlan. Ennek többnyire az az oka, hogy nem ismeretesek arra vonatkozóan, hogy mivel kell táplálni ezeket a szervezeteket és hogyan kell termeszteni őket. Előfordulhat, hogy a tudósok számára ismeretlen különleges követelményekkel kell számolni a növekedéssel kapcsolatban, például speciális mikrotápanyagokra, pH-ra, hőmérsékletre, nyomásra, kofaktorok vagy kometabolitok. Egyes baktériumok nem tenyészthetők, mert kötelező intracelluláris paraziták, és nem termeszthetők gazdasejten kívül.

Más esetekben tenyészthető organizmusok stresszes körülmények között kulturálatlanná válnak, annak ellenére, hogy ugyanazt a szervezetet korábban is tenyészthették. Azok a szervezetek, amelyek nem tenyészthetők, de nem haltak meg, életképes, de nem tenyészthető (VBNC) állapotban vannak. A VBNC állapot akkor következik be, amikor a prokarióták reagálnak a környezeti stresszorokra, és nyugalmi állapotba lépnek, amely lehetővé teszi a túlélésüket. A VBNC állapotba való belépés kritériumai nem teljesen érthetők. Az újraélesztésnek nevezett folyamat során a prokarióta visszatérhet a „normális” életbe, ha a környezeti feltételek javulnak.

A VBNC állam szokatlan életmód a prokarióták számára? Valójában a talajban vagy az óceáni vizekben élő prokarióták többsége nem tenyészthető. Azt mondták, hogy a prokariótáknak csak kis része, talán egy százaléka tenyészthető laboratóriumi körülmények között. Ha ezek a szervezetek nem tenyészthetők, akkor honnan lehet tudni, hogy jelen vannak-e és élnek-e? A mikrobiológusok molekuláris technikákat, például polimeráz láncreakciót (PCR) használnak a prokarióták DNS -ének kiválasztott részeinek, például a 16S rRNS -gének amplifikálására, bizonyítva azok létezését. (Emlékezzünk vissza, hogy a PCR több milliárd másolatot készíthet egy DNS -szegmensről az amplifikációnak nevezett folyamatban.)

A biofilmek ökológiája

Egyes prokarióták kulturálatlanok lehetnek, mert más prokarióta fajok jelenlétét igénylik. Pár évtizeddel ezelőtt a mikrobiológusok úgy gondolták a prokariótákat, mint egymástól elszigetelt egyedeket. Ez a modell azonban nem tükrözi a prokarióták valódi ökológiáját, amelyek többsége olyan közösségekben szeretne élni, ahol kölcsönhatásba léphetnek. Amint láttuk, a biofilm egy mikrobiális közösség (22.8. Ábra), amelyet egy gumiszerű mátrixban tartanak össze, amely elsősorban az organizmusok által kiválasztott poliszacharidokból, valamint néhány fehérjéből és nukleinsavból áll. A biofilmek általában a felületekhez tapadva nőnek. A legjobban tanulmányozott biofilmek egy része prokariótákból áll, bár gombák biofilmjeit is leírták, valamint néhányat, amelyek gombák és baktériumok keverékéből állnak.

A biofilmek szinte mindenhol jelen vannak: ipari környezetben csövek eltömődését okozhatják, és könnyen megtelepedhetnek a felületeken. A közelmúltban, az élelmiszerek bakteriális szennyeződésének nagyszabású kitöréseiben a biofilmeknek nagy szerepük volt. Ezenkívül gyarmatosítják a háztartási felületeket, például a konyhapultokat, vágódeszkákat, mosdókat és illemhelyeket, valamint az emberi test helyeit, például a fogaink felületét.

A biofilmet benépesítő élőlények közötti kölcsönhatások, valamint azok védőhatásai exopoliszacharid (EPS) környezetet, tegyék erősebbé ezeket a közösségeket, mint a szabadon élő vagy planktonikus prokarióták. A ragadós anyag, amely összetartja a baktériumokat, kizárja a legtöbb antibiotikumot és fertőtlenítőszert is, így a biofilm baktériumok keményebbek, mint plankton társaik. Összességében elmondható, hogy a biofilmeket nagyon nehéz elpusztítani, mivel ellenállnak a sterilizálás számos gyakori formájának.

Vizuális kapcsolat

A szabadon lebegő baktériumokhoz képest a biofilmekben lévő baktériumok gyakran fokozott rezisztenciát mutatnak az antibiotikumokkal és mosószerekkel szemben.Szerinted miért lehet ez a helyzet?


Nézd meg a videót: TOP5. IJESZTŐ és ÉRDEKES FELVÉTELEK AZ ÓCEÁN MÉLYÉRŐL!! (Október 2022).