Bakterie - Bacteria

Bakterie
EscherichiaColi NIAID.jpg
Rastrovací elektronový mikrosnímek z Escherichia coli tyčí
Vědecká klasifikace E
Doména: Bakterie
Phyla
Synonyma
Eubakterie

Bakterie ( / b Æ k t ɪər i ə / ( poslech )O tomto zvuku , časté podstatné jméno bakterie , singulární bakterie ) jsou všudypřítomné, většinou volně žijící organismy se často skládají z jedné biologické buňky . Představují velkou doménu z prokaryontních mikroorganismů . Bakterie, typicky několik mikrometrů na délku, byly mezi prvními formami života, které se objevily na Zemi , a jsou přítomny ve většině jejích stanovišť . Bakterie obývají půdu, vodu, kyselé horké prameny, Radioaktivní odpad a hluboké biosféru ze zemské kůry . Bakterie jsou životně důležité v mnoha fázích koloběhu živin tím, že recyklují živiny, jako je fixace dusíku z atmosféry . Živiny Cyklus zahrnuje rozklad z mrtvých těl ; bakterie jsou v tomto procesu zodpovědné za fázi hniloby . V biologických společenstev okolních hydrotermální průduchy a chladný prosakuje , extremophile bakterie poskytují živiny potřebné pro udržení života převedením rozpuštěné sloučeniny, jako je sirovodík a metan , na energii. Bakterie také žijí v symbiotických a parazitických vztazích s rostlinami a zvířaty. Většina bakterií nebyla charakterizována a existuje mnoho druhů, které nelze pěstovat v laboratoři. Studium bakterií je známé jako bakteriologie , odvětví mikrobiologie .

Lidé a většina zvířat přenášejí miliony bakterií. Většina je ve střevech a mnoho jich je na kůži. Většina bakterií v těle a na těle je neškodná nebo je způsobena ochrannými účinky imunitního systému , i když mnohé z nich jsou prospěšné , zejména ty ve střevech. Některé druhy bakterií jsou však patogenní a způsobují infekční onemocnění , včetně cholery , syfilis , antraxu , lepry a dýmějového moru . Nejčastějším smrtelným bakteriálním onemocněním jsou infekce dýchacích cest . Antibiotika se používají k léčbě bakteriálních infekcí a používají se také v zemědělství, takže rezistence vůči antibiotikům je stále větším problémem. Bakterie jsou důležité při čištění odpadních vod a odbourávání ropných havárií , při výrobě sýrů a jogurtu přes kvašení , oživení zlata, palladia, mědi a dalších kovů v těžebním průmyslu, jakož i v oblasti biotechnologie , a výroba antibiotik a jiné chemikálie.

Bakterie, kdysi považované za rostliny tvořící třídu Schizomycetes ("štěpné houby"), jsou nyní klasifikovány jako prokaryota . Na rozdíl od buněk zvířat a jiných eukaryot neobsahují bakteriální buňky jádro a zřídka obsahují organely vázané na membránu . Ačkoli termín bakterie tradičně zahrnoval všechna prokaryota, vědecká klasifikace se změnila po objevu v 90. letech 20. století, že prokaryota se skládají ze dvou velmi odlišných skupin organismů, které se vyvinuly z dávného společného předka . Tyto evoluční domény se nazývají Bakterie a Archaea .

Etymologie

Tyčinkovitý Bacillus subtilis

Zobrazované slovo bakterie je množné v New Latinské bakterie , která je latinisation ze starověkého řeckého βακτήριον ( baktḗrion ), maličký βακτηρία ( baktēría ), což znamená „personál, hůl“, protože ty první, které mají být objeveny byly rod- tvarovaný .

Původ a raná evoluce

Předchůdci bakterií byli jednobuněčné mikroorganismy, které byly prvními formami života, které se na Zemi objevily asi před 4 miliardami let. Po dobu asi 3 miliard let byla většina organismů mikroskopická a bakterie a archaea byly dominantními formami života. Ačkoli existují bakteriální fosilie , jako jsou stromatolity , jejich nedostatek výrazné morfologie jim brání v tom, aby byly použity ke zkoumání historie evoluce bakterií nebo k datování doby vzniku určitého bakteriálního druhu. Genové sekvence však mohou být použity k rekonstrukci bakteriální fylogeneze a tyto studie naznačují, že bakterie se nejprve oddělily od archaeální/eukaryotické linie. Poslední společný předek bakterií a archeí byl pravděpodobně Hypertermofilní který žil asi před 2,5 miliard do 3,2 miliardy rok. Nejdříve život na zemi může být bakterie před několika 3220000000rok.

Bakterie byly také zapojeny do druhé velké evoluční divergence, a to archaea a eukaryot. Zde eukaryoty vznikly vstupem starověkých bakterií do endosymbiotických asociací s předky eukaryotických buněk, které samy byly pravděpodobně příbuzné Archaea. Jednalo se o pohlcení alfaproteobakteriálních symbiontů protoeukaryotickými buňkami za vzniku buď mitochondrií, nebo hydrogenosomů , které se stále nacházejí ve všech známých Eukaryích (někdy ve vysoce redukované formě , např. u starověkých „amitochondriálních“ prvoků). Později někteří eukaryotes, které již obsahovaly mitochondrie také pohlcené sinice -jako organismy, které vedou ke vzniku chloroplastů v řasy a rostliny. Toto je známé jako primární endosymbióza .

Místo výskytu

Bakterie jsou všudypřítomné a žijí ve všech možných lokalitách na planetě, včetně půdy, pod vodou, hluboko v zemské kůře a dokonce i v tak extrémních prostředích, jako jsou kyselé horké prameny a radioaktivní odpad. Na Zemi je přibližně 2×10 30 bakterií, které tvoří biomasu, kterou převyšují pouze rostliny. Jsou hojné v jezerech a oceánech, v arktickém ledu a geotermálních pramenech, kde poskytují živiny potřebné k udržení života přeměnou rozpuštěných sloučenin, jako je sirovodík a metan, na energii. Žijí na a v rostlinách a zvířatech. Většina nezpůsobuje nemoci, je prospěšná svému prostředí a je nezbytná pro život. Půda je bohatým zdrojem bakterií a pár gramů jich obsahuje kolem tisíce milionů. Všechny jsou nezbytné pro ekologii půdy, rozkládají toxický odpad a recyklují živiny. Nacházejí se dokonce i v atmosféře a jeden metr krychlový vzduchu pojme kolem sta milionů bakteriálních buněk. Oceány a moře obsahují přibližně 3 x 10 26 bakterií, které poskytují až 50 % kyslíku, který lidé dýchají. Pouze asi 2 % bakteriálních druhů byla plně prostudována.

Extremofilní bakterie
Místo výskytu Druh Odkaz
Chlad (minus 15 °C Antarktida) Kryptoendolity
Horké (70–100 °C gejzíry ) Thermus aquaticus
Záření, 5M Rad Deinococcus radiodurans
Fyziologický roztok, 47% sůl ( Mrtvé moře , Velké solné jezero ) několik druhů ,
Kyselina pH 3 několik druhů
Alkalické pH 12,8 Proteobakterie
Vesmír (6 let na satelitu NASA ) Bacillus subtilis
3,2 km pod zemí několik druhů
Vysoký tlak ( Marianský příkop – 1200 atm ) Moritella, Shewanella a další

Morfologie

diagram ukazující morfologii bakterií
Bakterie vykazují mnoho buněčných morfologií a uspořádání

Bakterie mají širokou škálu tvarů a velikostí. Bakteriální buňky jsou přibližně jedné desetiny velikosti eukaryotických buněk a jsou obvykle dlouhé 0,5–5,0  mikrometrů . Několik druhů je však viditelné pouhým okem – například Thiomargarita namibiensis je dlouhá až půl milimetru a Epulopiscium fishelsoni dosahuje 0,7 mm. Mezi nejmenší bakterie patří zástupci rodu Mycoplasma , které měří pouze 0,3 mikrometru, stejně malé jako největší viry . Některé bakterie mohou být ještě menší, ale tyto ultramikrobakterie nejsou dobře prozkoumány.

Většina bakteriálních druhů je buď kulovitá, nazývaná cocci ( singulární kokus , z řeckého kókkos , zrno, semeno), nebo tyčinkovitá, nazývaná bacily ( sing . bacillus, z latiny baculus , hůl). Některé bakterie, nazývané vibrio , mají tvar mírně zakřivených tyčinek nebo čárky; jiní mohou mít tvar spirály, nazývaný spirilla , nebo pevně stočený, nazývaný spirochaetes . Bylo popsáno malé množství dalších neobvyklých tvarů, jako jsou hvězdicovité bakterie. Tato široká škála tvarů je určena bakteriální buněčnou stěnou a cytoskeletem a je důležitá, protože může ovlivnit schopnost bakterií získávat živiny, vázat se na povrchy, proplouvat kapalinami a unikat predátorům .

Rozsah velikostí ukazovaných prokaryoty (bakteriemi) ve srovnání s velikostí jiných organismů a biomolekul .

Mnoho bakteriálních druhů existuje jednoduše jako jednotlivé buňky; ostatní se sdružují v charakteristických vzorcích: Neisseria tvoří diploidy (páry), streptokoky tvoří řetězce a stafylokoky se seskupují do shluků "hrozen hroznů". Bakterie mohou také skupina, která tvoří větší mnohobuněčných struktur, jako jsou protáhlé vláken z Actinobacteria druhu, agregátů myxobakterie druhů a komplexní hyf Streptomyces druhů. Tyto mnohobuněčné struktury jsou často vidět pouze za určitých podmínek. Například, když jsou myxobakterie vyhladověny o aminokyseliny, detekují okolní buňky v procesu známém jako quorum sensing , migrují směrem k sobě a agregují se za vzniku plodnic o délce až 500 mikrometrů a obsahujících přibližně 100 000 bakteriálních buněk. V těchto plodnicích plní bakterie samostatné úkoly; například asi jedna z deseti buněk migruje na vrchol plodnice a diferencuje se do specializovaného klidového stavu zvaného myxospora, který je odolnější vůči vysychání a dalším nepříznivým podmínkám prostředí.

Bakterie se často přichytí na povrchy a tvoří husté shluky zvané biofilmy a větší útvary známé jako mikrobiální rohože . Tyto biofilmy a rohože mohou mít tloušťku od několika mikrometrů do hloubky až půl metru a mohou obsahovat více druhů bakterií, protistů a archaea. Bakterie žijící v biofilmech vykazují složité uspořádání buněk a extracelulárních složek, které tvoří sekundární struktury, jako jsou mikrokolonie , přes které existují sítě kanálů umožňujících lepší difúzi živin. V přirozeném prostředí, jako je půda nebo povrchy rostlin, je většina bakterií vázána na povrchy v biofilmech. Biofilmy jsou také důležité v medicíně, protože tyto struktury jsou často přítomny při chronických bakteriálních infekcích nebo při infekcích implantovaných lékařských zařízení a bakterie chráněné v biofilmech je mnohem těžší zabít než jednotlivé izolované bakterie.

Buněčná struktura

Prokaryotní buňka se strukturou a částmi
Struktura a obsah typické Gram-pozitivní bakteriální buňky (viditelné podle skutečnosti, že je přítomna pouze jedna buněčná membrána).

Intracelulární struktury

Bakteriální buňka je obklopena buněčnou membránou , která je tvořena především fosfolipidy . Tato membrána uzavírá obsah buňky a působí jako bariéra pro udržení živin, proteinů a dalších základních složek cytoplazmy v buňce. Na rozdíl od eukaryotických buněk bakterie obvykle postrádají ve své cytoplazmě velké membránově vázané struktury, jako je jádro , mitochondrie , chloroplasty a další organely přítomné v eukaryotických buňkách. Některé bakterie však mají v cytoplazmě organely vázané na protein, které kompartmentalizují aspekty bakteriálního metabolismu, jako je karboxyzom . Bakterie mají navíc vícesložkový cytoskelet pro kontrolu lokalizace proteinů a nukleových kyselin v buňce a pro řízení procesu buněčného dělení .

Mnoho důležitých biochemických reakcí, jako je generování energie, se vyskytuje v důsledku koncentračních gradientů napříč membránami, což vytváří potenciálový rozdíl analogický s baterií. Obecný nedostatek vnitřních membrán u bakterií znamená, že tyto reakce, jako je transport elektronů , probíhají přes buněčnou membránu mezi cytoplazmou a vnějškem buňky nebo periplazmy . U mnoha fotosyntetických bakterií je však plazmatická membrána vysoce složená a vyplňuje většinu buňky vrstvami membrány shromažďující světlo. Tyto komplexy shromažďující světlo mohou dokonce tvořit struktury uzavřené v lipidech zvané chlorosomy v zelených sirných bakteriích .

Elektronová mikrofotografie z Halothiobacillus neapolitanus buněk karboxyzom uvnitř, se šipkami zvýraznění viditelné karboxyzom. Měřítko ukazuje 100 nm.

Bakterie nemají vázaný na membránu jádro, a jejich genetický materiál je obvykle jeden kruhový bakteriální chromozom z DNA se nachází v cytoplazmě v nepravidelně tvarovaného tělesa se nazývá nucleoid . Nukleoid obsahuje chromozom s jeho přidruženými proteiny a RNA . Stejně jako všechny ostatní organismy obsahují bakterie ribozomy pro produkci proteinů, ale struktura bakteriálního ribozomu je odlišná od struktury eukaryot a archaea.

Některé bakterie produkují intracelulární granule pro ukládání živin, jako je glykogen , polyfosfát , síra nebo polyhydroxyalkanoáty . Bakterie, jako jsou fotosyntetické sinice , produkují vnitřní plynové vakuoly , které používají k regulaci jejich vztlaku, což jim umožňuje pohybovat se nahoru nebo dolů do vodních vrstev s různou intenzitou světla a úrovněmi živin.

Extracelulární struktury

Kolem vnější strany buněčné membrány je buněčná stěna . Bakteriální buněčné stěny jsou tvořeny peptidoglykanem (také nazývaným murein), který je tvořen polysacharidovými řetězci zesíťovanými peptidy obsahujícími D- aminokyseliny . Bakteriální buněčné stěny se liší od buněčných stěn rostlin a hub , které jsou vyrobeny z celulózy a chitinu . Buněčná stěna bakterií se také liší od stěny achae, které neobsahují peptidoglykan. Buněčná stěna je nezbytná pro přežití mnoha bakterií a antibiotikum penicilin (produkovaný houbou zvanou Penicillium ) je schopen zabíjet bakterie inhibicí kroku v syntéze peptidoglykanu.

Obecně řečeno, existují dva různé typy buněčné stěny v bakteriích, které klasifikují bakterie na grampozitivní bakterie a gramnegativní bakterie . Názvy pocházejí z reakce buněk na Gramovo barvení , což je dlouhodobý test pro klasifikaci bakteriálních druhů.

Gram-pozitivní bakterie mají silnou buněčnou stěnu obsahující mnoho vrstev peptidoglykanu a teichoových kyselin . Naproti tomu gramnegativní bakterie mají relativně tenkou buněčnou stěnu sestávající z několika vrstev peptidoglykanu obklopených druhou lipidovou membránou obsahující lipopolysacharidy a lipoproteiny . Většina bakterií má gramnegativní buněčnou stěnu a pouze členové skupiny Firmicutes a aktinobakterie (dříve známé jako grampozitivní bakterie s nízkým G+C a vysokým G+C) mají alternativní grampozitivní uspořádání. Tyto rozdíly ve struktuře mohou způsobit rozdíly v citlivosti na antibiotika; například vankomycin může zabíjet pouze grampozitivní bakterie a je neúčinný proti gramnegativním patogenům , jako je Haemophilus influenzae nebo Pseudomonas aeruginosa . Některé bakterie mají struktury buněčné stěny, které nejsou ani klasicky grampozitivní, ani gramnegativní. To zahrnuje klinicky důležité bakterie, jako jsou mykobakterie, které mají silnou peptidoglykanovou buněčnou stěnu jako grampozitivní bakterie, ale také druhou vnější vrstvu lipidů.

U mnoha bakterií pokrývá vnější část buňky S-vrstva pevně uspořádaných proteinových molekul. Tato vrstva poskytuje chemickou a fyzikální ochranu buněčnému povrchu a může fungovat jako makromolekulární difúzní bariéra . S-vrstvy mají různé funkce a je známo, že působí jako faktory virulence u druhů Campylobacter a obsahují povrchové enzymy u Bacillus stearothermophilus .

Elektronový mikrofotografie Helicobacter pylori zobrazující mnohočetné bičíky na buněčném povrchu
Elektronový mikrofotografie Helicobacter pylori zobrazující mnohočetné bičíky na buněčném povrchu

Bičíky jsou tuhé proteinové struktury o průměru asi 20 nanometrů a délce až 20 mikrometrů, které se používají pro pohyblivost . Bičíky jsou poháněny energií uvolněnou přenosem iontů po elektrochemickém gradientu přes buněčnou membránu.

Fimbrie (někdy nazývané " přichycovací pili ") jsou jemná vlákna bílkoviny, obvykle o průměru 2–10 nanometrů a délce až několika mikrometrů. Jsou rozmístěny po povrchu buňky a při pohledu pod elektronovým mikroskopem připomínají jemné chloupky . Předpokládá se, že fimbrie se účastní přichycení k pevným povrchům nebo k jiným buňkám a jsou nezbytné pro virulenci některých bakteriálních patogenů. Pili ( sing . pilus) jsou buněčné přívěsky, mírně větší než fimbrie, které mohou přenášet genetický materiál mezi bakteriálními buňkami v procesu zvaném konjugace, kde se nazývají konjugační pili nebo sexuální pili (viz bakteriální genetika níže). Mohou také generovat pohyb, kde se nazývají pili typu IV .

Glykokalyx je produkován mnoha bakterií obklopit jejich buněk, a liší se v konstrukční složitosti: od zmatené slizu vrstvou z extracelulárních polymerních látek na vysoce strukturované kapsle . Tyto struktury mohou chránit buňky před pohlcením eukaryotickými buňkami, jako jsou makrofágy (součást lidského imunitního systému ). Mohou také působit jako antigeny a podílet se na rozpoznávání buněk, stejně jako napomáhat přichycení k povrchům a tvorbě biofilmů.

Sestavení těchto extracelulárních struktur je závislé na bakteriálních sekrečních systémech . Tyto přenášejí proteiny z cytoplazmy do periplazmy nebo do prostředí kolem buňky. Je známo mnoho typů sekrečních systémů a tyto struktury jsou často nezbytné pro virulenci patogenů, takže jsou intenzivně studovány.

Endospory

Antrax zbarvený do fialova
Bacillus anthracis (zbarvený do fialova) rostoucí v mozkomíšním moku

Některé rody grampozitivních bakterií, jako je Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter , Anaerobacter a Heliobacterium , mohou tvořit vysoce odolné, dormantní struktury zvané endospory . Endospory se vyvíjejí v cytoplazmě buňky; obecně se v každé buňce vyvine jedna endospora. Každá endospora obsahuje jádro DNA a ribozomy obklopené vrstvou kůry a chráněné vícevrstvým tuhým obalem složeným z peptidoglykanu a různých proteinů.

Endospory nevykazují žádný zjistitelný metabolismus a mohou přežít extrémní fyzikální a chemické namáhání, jako je vysoká úroveň UV záření , gama záření , detergentů , dezinfekčních prostředků , tepla, mrazu, tlaku a vysoušení . V tomto spícím stavu, tyto organismy mohou zůstat životaschopná po miliony let, a endospores dokonce umožňují bakterie přežít expozici vakuu a radiaci v prostoru, případně bakterie mohou být distribuovány v celém vesmíru by prostor prachu , meteoroidů , asteroidů , komet , planetek nebo prostřednictvím řízené panspermie . Bakterie tvořící endospory mohou také způsobit onemocnění: například antrax se může nakazit vdechnutím endospor Bacillus anthracis a kontaminace hlubokých bodných ran endosporami Clostridium tetani způsobuje tetanus , který je stejně jako botulismus způsoben toxinem uvolňovaným bakteriemi. vyrůstají ze spor. Infekce Clostridioides difficile , která je problémem ve zdravotnictví, je také způsobena sporotvornými bakteriemi.

Metabolismus

Bakterie vykazují extrémně širokou škálu metabolických typů. Distribuce metabolických znaků v rámci skupiny bakterií se tradičně používá k definování jejich taxonomie , ale tyto znaky často neodpovídají moderním genetickým klasifikacím. Bakteriální metabolismus je klasifikován do nutričních skupin na základě tří hlavních kritérií: zdroj energie , použité donory elektronů a zdroj uhlíku použitého pro růst.

Bakterie buď získávají energii ze světla pomocí fotosyntézy (tzv. fototrofie ), nebo rozkladem chemických sloučenin pomocí oxidace (tzv. chemotrofie ). Chemotrofové používají chemické sloučeniny jako zdroj energie přenosem elektronů z daného elektronového dárce na koncový akceptor elektronů v redoxní reakci . Tato reakce uvolňuje energii, která může být použita k řízení metabolismu. Chemotrofy se dále dělí podle typů sloučenin, které používají k přenosu elektronů. Bakterie, které používají anorganické sloučeniny, jako je vodík, oxid uhelnatý nebo čpavek jako zdroje elektronů, se nazývají lithotrofy , zatímco ty, které používají organické sloučeniny, se nazývají organotrofy . Sloučeniny používané k příjmu elektronů se také používají ke klasifikaci bakterií: aerobní organismy používají kyslík jako terminální akceptor elektronů, zatímco anaerobní organismy používají jiné sloučeniny, jako je dusičnan , síran nebo oxid uhličitý.

Mnoho bakterií získává uhlík z jiného organického uhlíku , nazývaného heterotrofie . Jiné, jako jsou sinice a některé purpurové bakterie, jsou autotrofní , což znamená, že získávají buněčný uhlík fixací oxidu uhličitého . Ve výjimečných případech, plyn methan lze použít metanotrofních bakterií jako jak zdroj elektronů a substrátu pro oxid anabolismus .

Výživové typy v metabolismu bakterií
Nutriční typ Zdroj energie Zdroj uhlíku Příklady
 Fototrofy  sluneční světlo  Organické sloučeniny (fotoheterotrofy) nebo fixace uhlíku (fotoautotrofy)  Sinice , Zelené sirné bakterie , Chloroflexi nebo Purpurové bakterie 
 Litotrofy Anorganické sloučeniny  Organické sloučeniny (litoheterotrofy) nebo fixace uhlíku (litoautotrofy)  Thermodesulfobacteria , Hydrogenophilaceae nebo Nitrospirae 
 Organotrofy Organické sloučeniny  Organické sloučeniny (chemoheterotrofy) nebo fixace uhlíku (chemoautotrofy)    Bacillus , Clostridium nebo Enterobacteriaceae 

V mnoha ohledech poskytuje bakteriální metabolismus vlastnosti, které jsou užitečné pro ekologickou stabilitu a pro lidskou společnost. Jedním příkladem je, že některé bakterie zvané diazotrofy mají schopnost fixovat plynný dusík pomocí enzymu dusíkaté látky . Tento environmentálně důležitý rys lze nalézt u bakterií většiny metabolických typů uvedených výše. To vede k ekologicky důležitým procesům denitrifikace , redukce síranů a acetogeneze . Bakteriální metabolické procesy jsou také důležité v biologických reakcích na znečištění ; například bakterie redukující sírany jsou z velké části zodpovědné za produkci vysoce toxických forem rtuti ( methyl- a dimethylrtuť ) v životním prostředí. Nerespirační anaeroby využívají fermentaci k výrobě energie a snížení energie, přičemž vylučují vedlejší produkty metabolismu (jako je etanol při vaření piva) jako odpad. Fakultativně anaeroby mohou přepínat mezi fermentací a různými terminálními akceptory elektronů v závislosti na podmínkách prostředí, ve kterých se nacházejí.

Růst a rozmnožování

kresba ukazující procesy binárního štěpení, mitózy a meiózy
Mnoho bakterií se množí prostřednictvím binárního štěpení , což je na tomto obrázku přirovnáno k mitóze a meióze .
Kultura salmonely

Na rozdíl od mnohobuněčných organismů je u jednobuněčných organismů těsně spojeno zvýšení velikosti buněk ( buněčný růst ) a reprodukce buněčným dělením . Bakterie rostou do pevné velikosti a pak se rozmnožují prostřednictvím binárního štěpení , což je forma nepohlavní reprodukce . Za optimálních podmínek mohou bakterie růst a dělit se extrémně rychle a některé bakteriální populace se mohou zdvojnásobit tak rychle jako každých 17 minut. Při buněčném dělení jsou produkovány dva identické klonové dceřiné buňky. Některé bakterie, i když se stále množí nepohlavně, tvoří složitější reprodukční struktury, které pomáhají rozptýlit nově vytvořené dceřiné buňky. Příklady zahrnují tvorbu plodnic myxobakteriemi a tvorbu vzdušných hyf druhem Streptomyces nebo pučení. Pučení zahrnuje buňku tvořící výčnělek, který se odlomí a vytvoří dceřinou buňku.

V laboratoři se bakterie obvykle pěstují pomocí pevných nebo kapalných médií. Pevná růstová média , jako jsou agarové plotny , se používají k izolaci čistých kultur bakteriálního kmene. Kapalná růstová média se však používají, když je požadováno měření růstu nebo velkých objemů buněk. Růst v míchaném kapalném médiu probíhá jako rovnoměrná buněčná suspenze, což usnadňuje dělení a přenos kultur, ačkoli izolace jednotlivých bakterií z kapalných médií je obtížná. Použití selektivních médií (média s přidanými nebo nedostatečnými specifickými živinami nebo s přidanými antibiotiky) může pomoci identifikovat specifické organismy.

Většina laboratorních technik pro pěstování bakterií využívá vysoké úrovně živin k produkci velkého množství buněk levně a rychle. V přirozeném prostředí jsou však živiny omezené, což znamená, že bakterie nemohou pokračovat v reprodukci donekonečna. Toto omezení živin vedlo k vývoji různých růstových strategií (viz teorie selekce r/K ). Některé organismy mohou růst extrémně rychle, když jsou k dispozici živiny, jako je tvorba květů řas (a sinic), které se často vyskytují v jezerech během léta. Jiné organismy se adaptují na drsná prostředí, jako je produkce mnoha antibiotik streptomyces, která inhibují růst konkurenčních mikroorganismů. V přírodě mnoho organismů žije ve společenstvích (např. biofilmy ), které mohou umožnit zvýšený přísun živin a ochranu před environmentálními stresy. Tyto vztahy mohou být nezbytné pro růst určitého organismu nebo skupiny organismů ( syntrofie ).

Bakteriální růst probíhá ve čtyřech fázích. Když populace bakterií poprvé vstoupí do prostředí s vysokým obsahem živin, které umožňuje růst, buňky se musí přizpůsobit svému novému prostředí. První fází růstu je lag fáze , období pomalého růstu, kdy se buňky adaptují na prostředí s vysokým obsahem živin a připravují se na rychlý růst. Zpožděná fáze má vysoké rychlosti biosyntézy, protože jsou produkovány proteiny nezbytné pro rychlý růst. Druhá fáze růstu je logaritmická fáze , známá také jako exponenciální fáze. Log fáze se vyznačuje rychlým exponenciálním růstem . Rychlost, kterou buňky rostou během této fáze, je známá jako rychlost růstu ( k ) a doba, kterou buňky potřebují ke zdvojnásobení, je známá jako generační doba ( g ). Během log fáze jsou živiny metabolizovány maximální rychlostí, dokud se jedna z živin nevyčerpá a nezačne omezovat růst. Třetí fáze růstu je stacionární fáze a je způsobena vyčerpanými živinami. Buňky snižují svou metabolickou aktivitu a spotřebovávají neesenciální buněčné proteiny. Stacionární fáze je přechodem z rychlého růstu do stavu reakce na stres a dochází ke zvýšené expresi genů zapojených do opravy DNA , metabolismu antioxidantů a transportu živin . Poslední fází je fáze smrti, kdy bakteriím dojdou živiny a zemřou.

Genetika

Heliový iontový mikroskopický snímek ukazující T4 fág infikující E. coli . Některé z připojených fágů mají stažené ocasy, což naznačuje, že vstříkli svou DNA do hostitele. Bakteriální buňky jsou ~ 0,5 µm široké.

Většina bakterií má jeden kruhový chromozom , jehož velikost se může pohybovat od pouhých 160 000 párů bází u endosymbiotických bakterií Carsonella ruddii až po 12 200 000 párů bází (12,2 Mbp) u bakterií Sorangium cellulosum žijících v půdě . Existuje mnoho výjimek, například některé druhy Streptomyces a Borrelia obsahují jeden lineární chromozom, zatímco některé druhy Vibrio obsahují více než jeden chromozom. Bakterie mohou také obsahovat plazmidy , malé extrachromozomální molekuly DNA, které mohou obsahovat geny pro různé užitečné funkce, jako je odolnost vůči antibiotikům , metabolické schopnosti nebo různé faktory virulence .

Genomy bakterií obvykle kódují několik set až několik tisíc genů. Geny v bakteriálních genomech jsou obvykle jediným souvislým úsekem DNA, a přestože v bakteriích existuje několik různých typů intronů , jsou mnohem vzácnější než u eukaryot.

Bakterie jako asexuální organismy zdědí identickou kopii genomů rodičů a jsou klonální . Všechny bakterie se však mohou vyvinout selekcí na základě změn jejich genetického materiálu DNA způsobených genetickou rekombinací nebo mutacemi . Mutace pocházejí z chyb vzniklých během replikace DNA nebo z expozice mutagenům . Míra mutací se široce liší mezi různými druhy bakterií a dokonce i mezi různými klony jednoho druhu bakterií. Genetické změny v bakteriálních genomech pocházejí buď z náhodné mutace během replikace, nebo z „stresem řízené mutace“, kdy geny zapojené do určitého procesu omezujícího růst mají zvýšenou míru mutace.

Některé bakterie také přenášejí genetický materiál mezi buňkami. K tomu může dojít třemi hlavními způsoby. Za prvé, bakterie mohou přijímat exogenní DNA ze svého prostředí v procesu zvaném transformace . Mnoho bakterií může přirozeně přijímat DNA z prostředí, zatímco jiné musí být chemicky pozměněny, aby je přiměly přijmout DNA. Rozvoj kompetence v přírodě je obvykle spojen se stresovými podmínkami prostředí a zdá se, že jde o adaptaci pro usnadnění opravy poškození DNA v buňkách příjemce. Druhým způsobem přenosu genetického materiálu bakterií je transdukce , kdy integrace bakteriofága zavádí cizí DNA do chromozomu. Existuje mnoho typů bakteriofágů, některé jednoduše infikují a lyzují své hostitelské bakterie, zatímco jiné se vkládají do bakteriálního chromozomu. Bakterie odolávají fágové infekci prostřednictvím restrikčních modifikačních systémů, které degradují cizí DNA, a systému, který využívá CRISPR sekvence k uchování fragmentů genomů fágů, se kterými bakterie v minulosti přišly do kontaktu, což jim umožňuje blokovat replikaci viru prostřednictvím formy of RNA interference . Třetím způsobem přenosu genu je konjugace , kdy se DNA přenáší přímým buněčným kontaktem. Za běžných okolností transdukce, konjugace a transformace zahrnují přenos DNA mezi jednotlivými bakteriemi stejného druhu, ale příležitostně může dojít k přenosu mezi jednotlivci různých bakteriálních druhů, což může mít významné důsledky, jako je přenos rezistence na antibiotika. V takových případech se získávání genů z jiných bakterií nebo prostředí nazývá horizontální přenos genů a může být v přirozených podmínkách běžné.

Chování

Hnutí

Transmisní elektronová mikrofotografie Desulfovibrio vulgaris ukazující jediný bičík na jednom konci buňky. Měřítko je dlouhé 0,5 mikrometru.

Mnoho bakterií je pohyblivých (schopných se samy pohybovat) a činí tak pomocí různých mechanismů. Nejlépe prozkoumané z nich jsou bičíky , dlouhá vlákna, která se otáčí motorem na základně a vytvářejí pohyb podobný vrtuli. Bakteriální bičík je tvořen asi 20 proteiny, přičemž pro jeho regulaci a sestavení je zapotřebí dalších přibližně 30 proteinů. Bičík je rotační struktura poháněná reverzibilním motorem na základně, který pro energii využívá elektrochemický gradient přes membránu.

Různá uspořádání bakteriálních bičíků: A-Monotrichous; B-Lophotrichous; C-amfitrichózní; D-Peritrichózní

Bakterie mohou používat bičíky různými způsoby k vytváření různých druhů pohybu. Mnoho bakterií (jako je E. coli ) má dva odlišné způsoby pohybu: pohyb vpřed (plavání) a omílání. Převalování jim umožňuje přeorientovat se a dělá z jejich pohybu trojrozměrnou náhodnou procházku . Bakteriální druhy se liší počtem a uspořádáním bičíků na svém povrchu; některé mají jeden bičík ( monotrichní ), bičík na každém konci ( amphitrichous ), shluky bičíků na pólech buňky ( lophotrichous ), zatímco jiné mají bičíky rozmístěné po celém povrchu buňky ( pertrichní ). Bičíky jedinečné skupiny bakterií, spirochaetes , se nacházejí mezi dvěma membránami v periplazmatickém prostoru. Mají výrazné spirálové tělo, které se při pohybu kroutí.

Dva další typy bakteriálního pohybu se nazývají motilita záškuby, která se opírá o strukturu zvanou pilus typu IV , a pohyblivost klouzání , která využívá jiné mechanismy. Při záškubové motilitě se tyčovitý pilus vysune z buňky, naváže nějaký substrát a poté se stáhne a vytáhne buňku dopředu.

Pohyblivé bakterie jsou přitahovány nebo odpuzovány určitými podněty v chování zvaném daně : mezi ně patří chemotaxe , fototaxe , energetické taxíky a magnetotaxe . V jedné zvláštní skupině, myxobakteriích, se jednotlivé bakterie pohybují společně a vytvářejí vlny buněk, které se pak diferencují a vytvářejí plodnice obsahující spory. Myxobakterie se pohybují pouze na pevných površích, na rozdíl od E. coli , která je pohyblivá v kapalném nebo pevném médiu.

Několik druhů Listeria a Shigella se pohybuje uvnitř hostitelských buněk uzurpováním cytoskeletu , který se normálně používá k pohybu organel uvnitř buňky. Podporou polymerace aktinu na jednom pólu jejich buněk mohou vytvořit jakýsi ocas, který je protlačí cytoplazmou hostitelské buňky.

Sdělení

Několik bakterií má chemické systémy, které generují světlo. Tato bioluminiscence se často vyskytuje u bakterií, které žijí ve spojení s rybami, a světlo pravděpodobně slouží k přilákání ryb nebo jiných velkých zvířat.

Bakterie často fungují jako mnohobuněčné agregáty známé jako biofilmy , vyměňují si různé molekulární signály pro mezibuněčnou komunikaci a zapojují se do koordinovaného mnohobuněčného chování.

Společné výhody mnohobuněčné spolupráce zahrnují buněčnou dělbu práce, přístup ke zdrojům, které nemohou být efektivně využity jednotlivými buňkami, kolektivní obranu proti antagonistům a optimalizaci přežití populace diferenciací na odlišné typy buněk. Například bakterie v biofilmech mohou mít více než 500krát zvýšenou odolnost vůči antibakteriálním látkám než jednotlivé „planktonní“ bakterie stejného druhu.

Jeden typ mezibuněčné komunikace prostřednictvím molekulárního signálu se nazývá quorum sensing , který slouží k určení, zda existuje hustota místní populace, která je dostatečně vysoká, aby bylo produktivní investovat do procesů, které jsou úspěšné pouze tehdy, je-li velký počet podobných organismy se chovají podobně, jako při vylučování trávicích enzymů nebo vyzařování světla

Quorum sensing umožňuje bakteriím koordinovat genovou expresi a umožňuje jim produkovat, uvolňovat a detekovat autoinduktory nebo feromony, které se hromadí s růstem buněčné populace.

Klasifikace a identifikace

modrá skvrna Streptococcus mutans
Streptococcus mutans vizualizovaný Gramovým barvením.
Fylogenetický strom ukazující rozmanitost bakterií ve srovnání s jinými organismy. Bakterie jsou zde reprezentovány třemi hlavními superskupinami: CPR ultramikrobakteriemi , Terrabacteria a Gracilicutes podle nedávných genomických analýz (2019).

Klasifikace se snaží popsat rozmanitost bakteriálních druhů pojmenováním a seskupením organismů na základě podobností. Bakterie lze klasifikovat na základě buněčné struktury, buněčného metabolismu nebo na základě rozdílů v buněčných složkách, jako je DNA , mastné kyseliny , pigmenty, antigeny a chinony . I když tato schémata umožňovala identifikaci a klasifikaci bakteriálních kmenů, nebylo jasné, zda tyto rozdíly představují variace mezi odlišnými druhy nebo mezi kmeny stejného druhu. Tato nejistota byla způsobena nedostatkem charakteristických struktur u většiny bakterií a také laterálním přenosem genů mezi nepříbuznými druhy. V důsledku laterálního přenosu genů mohou mít některé blízce příbuzné bakterie velmi odlišnou morfologii a metabolismus. K překonání této nejistoty klade moderní bakteriální klasifikace důraz na molekulární systematiku , využívající genetické techniky, jako je stanovení poměru guanin cytosin , hybridizace genom-genom, stejně jako sekvenování genů, které neprošly rozsáhlým laterálním přenosem genů, jako je gen rRNA . Klasifikace bakterií je určena publikací v International Journal of Systematic Bacteriology a Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. Mezinárodní výbor pro Systematic Bacteriology (ICSB) udržuje mezinárodní pravidla pro pojmenovávání bakterií a taxonomických skupin a na žebříčku z nich v mezinárodních nomenklaturních kódů bakterií .

Historicky byly bakterie považovány za součást Plantae , rostlinné říše, a byly nazývány „Schizomycetes“ (štěpné houby). Z toho důvodu se společné bakterie a další mikroorganismy v hostiteli často nazývají „flóra“. Termín „bakterie“ byl tradičně aplikován na všechna mikroskopická jednobuněčná prokaryota. Molekulární systematika však ukázala, že prokaryotický život se skládá ze dvou samostatných domén , původně nazývaných Eubacteria a Archaebacteria, ale nyní nazývaných Bacteria a Archaea, které se vyvinuly nezávisle na dávném společném předku. Archaea a eukaryota jsou spolu blíže příbuzní než oba s bakteriemi. Tyto dvě domény jsou spolu s Eukaryou základem třídoménového systému , který je v současnosti nejrozšířenějším klasifikačním systémem v mikrobiologii. Vzhledem k relativně nedávnému zavedení molekulární systematiky a rychlému nárůstu počtu dostupných genomových sekvencí však klasifikace bakterií zůstává měnícím se a rozšiřujícím se oborem. Například Cavalier-Smith tvrdil, že Archaea a Eukaryotes se vyvinuly z grampozitivních bakterií.

Identifikace bakterií v laboratoři je zvláště důležitá v medicíně , kde je správná léčba určena bakteriálním druhem způsobujícím infekci. V důsledku toho byla potřeba identifikovat lidské patogeny hlavním impulsem pro vývoj technik pro identifikaci bakterií.

Gram skvrna , který byl vypracován v roce 1884 Hans Christian Gram , charakterizuje bakterií na základě strukturálních charakteristik jejich buněčných stěn. Silné vrstvy peptidoglykanu v "Gram-pozitivní" buněčné stěně se barví fialově, zatímco tenká "Gram-negativní" buněčná stěna vypadá růžově. Kombinací morfologie a Gram-barvení lze většinu bakterií klasifikovat jako patřící do jedné ze čtyř skupin (Gram-pozitivní koky, Gram-pozitivní bacily, Gram-negativní koky a Gram-negativní bacily). Některé organismy lze nejlépe identifikovat podle jiných skvrn, než je Gramovo barvení, zejména mykobakterie nebo Nocardia , které vykazují odolnost vůči kyselinám na Ziehl–Neelsenových nebo podobných skvrnách. Jiné organismy může být nutné identifikovat jejich růstem ve speciálních médiích nebo jinými technikami, jako je sérologie .

Kultivační techniky jsou navrženy tak, aby podporovaly růst a identifikovaly konkrétní bakterie a zároveň omezovaly růst ostatních bakterií ve vzorku. Často jsou tyto techniky navrženy pro specifické vzorky; například vzorek sputa bude ošetřen, aby se identifikovaly organismy, které způsobují zápal plic , zatímco vzorky stolice se kultivují na selektivním médiu, aby se identifikovaly organismy, které způsobují průjem , a zároveň se zabránilo růstu nepatogenních bakterií. Vzorky, které jsou normálně sterilní, jako je krev , moč nebo míšní mok , se kultivují za podmínek určených k růstu všech možných organismů. Jakmile byl patogenní organismus izolován, může být dále charakterizován jeho morfologií, růstovými vzory (jako je aerobní nebo anaerobní růst), vzorci hemolýzy a barvením.

Stejně jako u bakteriální klasifikace, identifikace bakterií stále více využívá molekulární metody a hmotnostní spektroskopii . Většina bakterií nebyla charakterizována a existují druhy, které nelze pěstovat v laboratoři. Diagnostika využívající nástroje na bázi DNA, jako je polymerázová řetězová reakce , je ve srovnání s metodami založenými na kultivaci stále populárnější díky své specifičnosti a rychlosti. Tyto metody také umožňují detekci a identifikaci " životaschopných, ale nekultivovatelných " buněk, které jsou metabolicky aktivní, ale nedělí se. I při použití těchto vylepšených metod však není znám celkový počet bakteriálních druhů a nelze jej ani s jistotou odhadnout. Podle současné klasifikace existuje o něco méně než 9 300 známých druhů prokaryot, které zahrnují bakterie a archaea; ale pokusy odhadnout skutečný počet bakteriální diverzity se pohybovaly od 10 7 do 10 9 celkových druhů – a dokonce i tyto různorodé odhady se mohou lišit o mnoho řádů.

Interakce s jinými organismy

graf zobrazující bakteriální infekce na různých částech lidského těla
Přehled bakteriálních infekcí a hlavních zahrnutých druhů.

Navzdory své zdánlivé jednoduchosti mohou bakterie vytvářet složité asociace s jinými organismy. Tyto symbiotické asociace lze rozdělit na parazitismus , mutualismus a komenzalismus .

Komenzálové

Slovo „komenzalismus“ je odvozeno od slova „komenzální“, což znamená „jíst u stejného stolu“ a všechny rostliny a zvířata jsou kolonizovány komenzálními bakteriemi. U lidí a dalších zvířat jich žijí miliony na kůži, dýchacích cestách, střevech a dalších otvorech. Tyto bakterie, označované jako „normální flóra“ nebo „komenzálové“, obvykle nezpůsobují žádné škody, ale mohou napadnout jiná místa těla a způsobit infekce. Escherichia coli je komenzál v lidském střevě, ale může způsobit infekce močových cest. Podobně streptokoky, které jsou součástí normální flóry lidských úst, mohou způsobit srdeční onemocnění .

Predátoři

Některé druhy bakterií zabíjejí a následně konzumují jiné mikroorganismy, tyto druhy se nazývají predátorské bakterie . Patří mezi ně organismy, jako je Myxococcus xanthus , který tvoří roje buněk, které zabíjejí a tráví všechny bakterie, se kterými se setkají. Jiní bakteriální predátoři se buď připojí ke své kořisti, aby ji strávili a absorbovali živiny, nebo napadnou jinou buňku a množí se uvnitř cytosolu. Předpokládá se, že tyto dravé bakterie se vyvinuly ze saprofágů, kteří konzumovali mrtvé mikroorganismy, prostřednictvím adaptací, které jim umožnily zachytit a zabít jiné organismy.

Mutualisté

Některé bakterie tvoří úzké prostorové asociace, které jsou nezbytné pro jejich přežití. Jedna taková vzájemná asociace, nazývaná mezidruhový přenos vodíku, nastává mezi shluky anaerobních bakterií, které konzumují organické kyseliny , jako je kyselina máselná nebo propionová , a produkují vodík , a methanogenními archaeami, které spotřebovávají vodík. Bakterie v této asociaci nejsou schopny spotřebovat organické kyseliny, protože tato reakce produkuje vodík, který se hromadí v jejich okolí. Pouze těsné spojení s archaea spotřebovávající vodík udržuje koncentraci vodíku dostatečně nízkou, aby umožnila růst bakterií.

V půdě provádějí mikroorganismy, které sídlí v rhizosféře (zóna, která zahrnuje povrch kořene a půdu, která ke kořeni přilne po jemném protřepání), fixaci dusíku a přeměňují plynný dusík na dusíkaté sloučeniny. To slouží k zajištění snadno vstřebatelné formy dusíku pro mnoho rostlin, které samy dusík neumí fixovat. Mnoho dalších bakterií se vyskytuje jako symbionti u lidí a dalších organismů. Například přítomnost více než 1000 bakteriálních druhů v normální lidské střevní flóře ve střevech může přispívat k imunitě střev, syntetizovat vitamíny , jako je kyselina listová , vitamín K a biotin , přeměňovat cukry na kyselinu mléčnou (viz Lactobacillus ). jako fermentující komplexní nestravitelné sacharidy . Přítomnost této střevní flóry také inhibuje růst potenciálně patogenních bakterií (obvykle prostřednictvím konkurenčního vyloučení ) a tyto prospěšné bakterie jsou následně prodávány jako probiotické doplňky stravy .

Téměř všechny živočišné říše je závislá na bakterie pro přežití, protože pouze bakterie a některé archaea mají geny a enzymy nezbytné pro syntézu vitaminu B 12 , také známý jako kobalamin , a poskytne mu prostřednictvím potravinového řetězce. Vitamín B 12 je ve vodě rozpustný vitamín, který se podílí na metabolismu každé buňky lidského těla. Je to kofaktor v syntéze DNA , a jak mastné kyseliny a aminokyseliny metabolismu . Je zvláště důležitý pro normální fungování nervového systému díky své roli při syntéze myelinu .

Patogeny

Barevně vylepšený rastrovací elektronový mikrofotografie červené Salmonella typhimurium ve žlutých lidských buňkách
Barevně vylepšený rastrovací elektronový mikrofotografie ukazující Salmonella typhimurium (červená) napadající kultivované lidské buňky

Tělo je neustále vystavováno mnoha druhům bakterií, včetně prospěšných komenzálů, které rostou na kůži a sliznicích , a saprofytů , které rostou především v půdě a v rozkládajících se hmotách. Krev a tkáňové tekutiny obsahují živiny dostatečné k udržení růstu mnoha bakterií. Tělo má obranné mechanismy, které mu umožňují bránit se mikrobiální invazi do jeho tkání a dodávají mu přirozenou imunitu nebo vrozenou odolnost proti mnoha mikroorganismům . Na rozdíl od některých virů se bakterie vyvíjejí relativně pomalu, takže mnoho bakteriálních onemocnění se vyskytuje i u jiných zvířat.

Pokud bakterie tvoří parazitickou asociaci s jinými organismy, jsou klasifikovány jako patogeny. Patogenní bakterie jsou hlavní příčinou lidských úmrtí a nemocí a způsobují infekce, jako je tetanus (způsobený Clostridium tetani ), břišní tyfus , záškrt , syfilis , cholera , onemocnění z potravin , lepra (způsobená Micobacterium leprae) a tuberkulóza (způsobená Mycobacterium tuberculosis ). Patogenní příčina známého onemocnění může být objevena až o mnoho let později, jako tomu bylo v případě Helicobacter pylori a peptického vředu . Bakteriální choroby jsou také důležité v zemědělství , bakterie způsobují skvrnitost listů , plíseň a vadnutí rostlin, stejně jako Johneovu chorobu , mastitidu , salmonelu a antrax u hospodářských zvířat.

Mikrofotografie bakterií z pochvy barvená gramem
Při bakteriální vaginóze jsou užitečné bakterie v pochvě (nahoře) vytlačeny patogeny (dole). Gramova skvrna.

Každý druh patogenu má charakteristické spektrum interakcí se svými lidskými hostiteli . Některé organismy, jako je Staphylococcus nebo Streptococcus , mohou způsobit kožní infekce, zápal plic , meningitidu a sepsi , systémovou zánětlivou reakci způsobující šok , masivní vazodilataci a smrt. Přesto jsou tyto organismy také součástí normální lidské flóry a obvykle existují na kůži nebo v nose, aniž by způsobily jakékoli onemocnění. Jiné organismy trvale způsobují onemocnění u lidí, jako je Rickettsia , což jsou obligátní intracelulární paraziti schopní růst a reprodukovat se pouze v buňkách jiných organismů. Jeden druh Rickettsia způsobuje tyfus , zatímco jiný způsobuje horečku Skalistých hor . Chlamydie , další kmen obligátních intracelulárních parazitů, obsahuje druhy, které mohou způsobit zápal plic nebo infekci močových cest a mohou se podílet na ischemické chorobě srdeční . Některé druhy, jako je Pseudomonas aeruginosa , Burkholderia cenocepacia a Mycobacterium avium , jsou oportunní patogeny a způsobují onemocnění hlavně u lidí trpících imunosupresí nebo cystickou fibrózou . Některé bakterie produkují toxiny , které způsobují onemocnění. Jsou to endotoxiny , které pocházejí z rozbitých bakteriálních buněk, a exotoxiny , které jsou produkovány bakteriemi a uvolňovány do životního prostředí. Bakterie Clostridium botulinum například produkuje silný extoxin, který způsobuje respirační paralýzu a Salmonellae produkují endotoxin, který způsobuje gastroenteritidu. Některé exotoxiny mohou být přeměněny na toxoidy , které se používají jako vakcíny k prevenci onemocnění.

Bakteriální infekce mohou být léčeny antibiotiky , která jsou klasifikována jako baktericidní, pokud zabíjejí bakterie, nebo bakteriostatická, pokud pouze zabraňují růstu bakterií. Existuje mnoho typů antibiotik a každá třída inhibuje proces, který se v patogenu liší od toho, který se nachází v hostiteli. Příkladem toho, jak antibiotika produkují selektivní toxicitu, jsou chloramfenikol a puromycin , které inhibují bakteriální ribozom , ale ne strukturálně odlišný eukaryotický ribozom. Antibiotika se používají jak při léčbě lidských nemocí, tak v intenzivním zemědělství k podpoře růstu zvířat, kde mohou přispívat k rychlému rozvoji antibiotické rezistence v bakteriálních populacích. Infekcím lze předcházet antiseptickými opatřeními, jako je sterilizace kůže před jejím propíchnutím jehlou injekční stříkačky, a správnou péčí o zavedené katetry. Chirurgické a dentální nástroje jsou také sterilizovány, aby se zabránilo kontaminaci bakteriemi. Dezinfekční prostředky, jako je bělidlo, se používají k hubení bakterií nebo jiných patogenů na površích, aby se zabránilo kontaminaci a dále se snížilo riziko infekce.

Význam v technice a průmyslu

Bakterie, často bakterie mléčného kvašení , jako Lactobacillus species a Lactococcus species, v kombinaci s kvasinkami a plísněmi , se používají po tisíce let při přípravě fermentovaných potravin, jako jsou sýry , nakládaná zelenina , sójová omáčka , kysané zelí , ocet , víno. a jogurt .

Schopnost bakterií degradovat různé organické sloučeniny je pozoruhodná a využívá se při zpracování odpadů a bioremediacích . Bakterie schopné trávit uhlovodíky v ropě se často používají k čištění ropných skvrn . Hnojivo bylo přidáno na některé z pláží v Prince William Sound ve snaze podpořit růst těchto přirozeně se vyskytujících bakterií po úniku ropy Exxon Valdez v roce 1989 . Tyto snahy byly účinné na plážích, které nebyly příliš hustě pokryté ropou. Bakterie se také používají pro bioremediaci průmyslových toxických odpadů . V chemickém průmyslu jsou bakterie nejdůležitější při výrobě enantiomerně čistých chemikálií pro použití jako léčiva nebo agrochemikálie .

Místo pesticidů lze v biologické kontrole škůdců použít také bakterie . To běžně zahrnuje Bacillus thuringiensis (také nazývaný BT), gram-pozitivní, půdní bakterie. Poddruhy této bakterie se používají jako insekticidy specifické pro Lepidoptera pod obchodními názvy jako Dipel a Thuricid. Vzhledem ke své specifičnosti jsou tyto pesticidy považovány za šetrné k životnímu prostředí , s malým nebo žádným účinkem na lidi, volně žijící zvířata , opylovače a většinu dalšího užitečného hmyzu .

Bakterie jsou díky své schopnosti rychle růst a relativní snadnosti, s jakou s nimi lze manipulovat, tahouny pro pole molekulární biologie , genetiky a biochemie . Provedením mutací v bakteriální DNA a zkoumáním výsledných fenotypů mohou vědci určit funkci genů, enzymů a metabolických drah v bakteriích a poté tyto poznatky aplikovat na složitější organismy. Tento cíl porozumění biochemii buňky dosahuje nejsložitějšího vyjádření při syntéze obrovského množství dat o kinetice enzymů a genové expresi do matematických modelů celých organismů. Toho je možné dosáhnout u některých dobře prostudovaných bakterií, přičemž se nyní vyrábí a testují modely metabolismu Escherichia coli . Toto porozumění bakteriálnímu metabolismu a genetice umožňuje použití biotechnologie k bioinženýrství bakterií pro produkci terapeutických proteinů, jako je inzulín , růstové faktory nebo protilátky .

Vzhledem k jejich významu pro výzkum obecně jsou vzorky bakteriálních kmenů izolovány a uchovávány v Biological Resource Centers . To zajišťuje dostupnost kmene pro vědce po celém světě.

Historie bakteriologie

obraz Antonie van Leeuwenhoeka, v róbě a nabírané košili, inkoustovým perem a papírem
Antonie van Leeuwenhoek , první mikrobiolog a první člověk, který pozoroval bakterie pomocí mikroskopu .

Bakterie poprvé pozoroval holandský mikroskop Antonie van Leeuwenhoek v roce 1676 pomocí jednočočkového mikroskopu vlastní konstrukce. Svá pozorování pak zveřejnil v sérii dopisů Royal Society of London . Bakterie byly Leeuwenhoekovým nejpozoruhodnějším mikroskopickým objevem. Byli právě na hranici toho, co dokázaly rozeznat jeho jednoduché čočky, a v jedné z nejpozoruhodnějších přestávek v dějinách vědy je nikdo jiný už déle než století neviděl. Jeho pozorování zahrnovala také prvoky, které nazval animalcules , a na jeho zjištění se znovu podíval ve světle novějších poznatků buněčné teorie .

Christian Gottfried Ehrenberg představil slovo „bakterie“ v roce 1828. Ve skutečnosti byl jeho Bacterium rod, který obsahoval tyčinkovité bakterie nevytvářející spory, na rozdíl od Bacillus , rodu tyčinkovitých bakterií tvořících spory definované Ehrenbergem. v roce 1835.

Louis Pasteur v roce 1859 prokázal, že růst mikroorganismů způsobuje proces fermentace a že tento růst není způsoben spontánním generováním ( kvasinky a plísně , běžně spojené s fermentací, nejsou bakterie, ale spíše houby ). Spolu se svým současníkem Robertem Kochem byl Pasteur časným zastáncem teorie choroboplodných zárodků . Před nimi si Ignaz Semmelweis a Joseph Lister uvědomili důležitost dezinfekce rukou při lékařské práci. Semmelweisovy myšlenky byly lékařskou komunitou odmítnuty a jeho kniha na toto téma odsouzena, ale po Listerovi si lékaři v 70. letech 19. století začali dezinfikovat ruce. Zatímco Semmelweis, který začal s pravidly o mytí rukou ve své nemocnici ve 40. letech 19. století, předcházel šíření myšlenek o samotných bakteriích a připisoval nemoci „rozkladu živočišné organické hmoty“, Lister byl aktivní později.

Robert Koch, průkopník v lékařské mikrobiologii, pracoval na choleře , antraxu a tuberkulóze . Ve svém výzkumu tuberkulózy Koch konečně dokázal zárodečnou teorii, za kterou obdržel v roce 1905 Nobelovu cenu . V Kochových postulátech stanovil kritéria pro testování, zda je organismus příčinou nemoci , a tyto postuláty se používají dodnes.

Ferdinand Cohn je považován za zakladatele bakteriologie, studující bakterie od roku 1870. Cohn byl první, kdo klasifikoval bakterie na základě jejich morfologie.

Přestože v devatenáctém století bylo známo, že bakterie jsou příčinou mnoha nemocí, nebyly dostupné žádné účinné antibakteriální léčby. V roce 1910 Paul Ehrlich vyvinul první antibiotikum změnou barviv, která selektivně barvila Treponema pallidumspirochétu, která způsobuje syfilis – na sloučeniny, které selektivně zabíjejí patogen. Ehrlich získal v roce 1908 Nobelovu cenu za svou práci na imunologii a propagoval použití skvrn k detekci a identifikaci bakterií, přičemž jeho práce byla základem pro Gramovo barvení a Ziehl-Neelsenovo barvení .

Velký krok kupředu ve studiu bakterií přišel v roce 1977, kdy Carl Woese rozpoznal, že archaea má samostatnou linii evolučního původu od bakterií. Tato nová fylogenetické taxonomie závisela na sekvenování z 16S ribozomální RNA , a rozděleny do dvou prokaryota evoluční domén, jako součást systému tří domén .

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy