1.10.2018
1
Účelové
chování
buňky
Účelové chování buňky
• Bakteriální buňka se nachází v dynamicky se měnícím
prostředí
• Mění se koncentrace živin, vyčerpání esenciálních živin
• Soutěžení o živiny mezi buňkami téhož druhu a mezi
druhy
• Produkce metabolitů (i toxinů)
• Soutěžení o prostor
Účelové chování buňky
• „Aktivní“ reakce bakterií na vnější prostředí
Taxe - pohyb k příhodnějšímu prostředí (vyšší koncentrace
vhodných živin)
- pohyb z nepříznivého prostředí (vyšší koncentrace
negativních látek - toxinů)
Taxe je vykonávána prokaryotickými i eukaryotickými
organizmy
Taxe
• Fototaxe – pohyb jako reakce na světlo (pozitivní,
negativní)
- Rozpoznávání různých vlnových délek a intenzity
světla
• Magnetotaxe – pohyb podél magnetického pole Země
• Schopnost přemístit se z kyselého / alkalického prostředí
k místu s neutrálním pH
• Vyhledání míst s optimální teplotou apod.
• Chemotaxe – pohyb vyvolaný přítomností chemické látky
Pozitivní chemotaxe – směrem k živinám
Negativní chemotaxe – směrem od toxinů
• Aerotaxe – vyvolávaná plynným kyslíkem
1.10.2018
2
Chemotaxe
• Cílený pohyb buňky v koncentračním gradientu
chemické látky (obvykle pomocí bičíku)
• Během pohybu je měněna doba „pobytu“. Ve vyšších
koncentracích živin je delší; v nízkých je kratší
• Postupným zjišťováním koncentrace se buňka dostane
až k optimální koncentraci
• Proces trvá relativně dlouho, ale buňka se neomylně
dostane vždy k optimální koncentraci.
• Buňka se tedy musí neustále adaptovat na stávající
koncentraci. Na základě této adaptace může buňka
rozpoznat vyšší koncentrace.
Fototaxe
• Orientovaný pohyb bakterií (obvykle s bičíkem) řízený
světlem
• Pohyb není závislý na fototrofii (např. Isosphaera
pallida, klouzavý pohyb, aerob, heterotrof)
• Pozitivní a negativní fototaxe
• Reakce buňky na světlo je závislá na druhu pigmentu
(absorpční maximum při různých vlnových délkách).
Výsledkem může být potom „nahromadění“ buněk
v místě s optimální vlnovou délkou a intenzitou
Foto zdroj: Stand Genomic Sci. 2011 Mar 4; 4(1): 63–71.
Fototaxe
• Pohyb bakterií při fototaxi je jiný než u chemotaxe
• Při fototaxi je pohyb označován jako šokový
• Pokud se buňka dostane do zastíněného místa, velmi
rychle se zastaví a změní směr k osvětlenému místu –
odpověď na změnu světelných podmínek
• Buňka nedokáže změřit absolutní množství světla, ale
velmi přesně reaguje na změnu intenzity světla
(s přesností až 5 %)
Magnetotaxe
• Schopnost bakterií, jednobuněčných řas a některých
prvoků orientovat se v magnetickém poli Země
• Magnetozómy – mají vlastnosti permanentního
dipólového magnetu. Obsahují feromagnetický minerál
magnetit (Fe3O4) v čisté formě
• Bakterie v sulfidických sedimentech mohou obsahovat
greigit (Fe3S4) nebo pyrit (FeS2)
• Velikost magnetozómů: 30-120 nm,
počet: 5 - 40 v buňce
• Morfologicky různé
1.10.2018
3
Magnetotaxe
• Pohyb buňky je pasivní podél siločar magnetického pole
Země přímým pohybem (buňky jsou „pasivně taženy)
pomocí magnetické síly vznikající mezi magnetickým
dipólem buňky a magnetickým polem Země
• Průměrná rychlost magnetotaktických bakterií je 150 μm/s
• Zvláštním případem je seskupení koků sdružených po
10 - 30 buňkách do multicelulárního útvaru obdaného
společnou vrstvou
Magnetotaxe
• Podle typu magnetického materiálu a vztahu ke kyslíku
existují 3 základní fyziologické skupiny magnetotaktických
bakterií
- Mikroaerofilní (svrchní vrstva vodního sloupce)
v magnetozómech magnetit
- Fakultativně anaerobní (větší hloubky s nižší
koncentrací O2) v magnetozómech pyrit
- Obligátní anaerobové (nejspodnější vrstvy)
v magnetozómech greigit
Komunikace mezi organizmy ve
společenstvu – Quorum sensing
• Quorum sensing je účelové chování buněk vycházející ze změny
počtu jedinců dané populace
• Quorum sensing umožňuje bakterii vnímat a reagovat na změny
v hustotě bakterií v daném prostředí
• Mechanizmus spočívá v produkci chemických signálních molekul
autoinduktorů – účelová komunikace mezi buňkami
• Dosažení prahové koncentrace autoinduktoru pak vede k ovlivnění
exprese genů – změna fyziologického chování buňky
• Klíčem procesu je celkový počet bakterií ve vztahu ke kapacitě jejich
okolí
• Pokud se v oblasti nachází pouze několik buněk, nic se nestane.
Jestliže je přítomno mnoho buněk, autoinduktor se vyskytuje
v koncentraci vyšší, což vyvolá u buněk specifické chování
Quorum sensing
• Komunikace probíhá formou signálu
generování signálu přijmutí signálu
• Signálem je chemická látka, autoinduktor - malá
bílkovina, oligosacharid, mastná kyselina nebo jejich
kombinace
• Každý druh má svoje signály, které nejsou rušeny
signály jiných druhů
• Signály se uplatňují jak v rámci druhu, tak i mezidruhově
(„quorum sensing cross talk“)
1.10.2018
4
Quorum sensing
!!! Ekonomika buňky: produkce extracelulárních signálů až nad
určitou hustotou populace !!!
• Načasování rozmístění faktorů virulence v hostiteli je kritický
bod – patogen se může hromadit bez vykazování virulence
• Více než 4 % z téměř 6 000 genů P. aeruginosa regulováno
pomocí quorum sensing
vysoká koncentrace buněknízká koncentrace buněk
Quorum sensing
• Přítomnost určitého množství buněk daného druhu
(druhů) navozuje symbiózu mezi organizmy, virulenci,
produkci antibiotik
• Umožňuje populaci koordinovat odpověď na danou situaci
Vibrio fisheri – bioluminiscence pouze po
dosažení určitého počtu buněk
Quorum sensing
komplex se váže na specifický promotor QS regulovaných genů
1.10.2018
5
Nejvíce prostudované QS systémy
• Agrobacterium tumefaciens
– kontrola konjugace Ti plazmidu
• Erwinia carotovora
– regulace exoenzymů a produkce antibiotik
• Pseudomonas aeruginosa
– tvorba biofilmu a faktory virulence
• další pseudomonády
Quorum sensing
• Nejčastější procesy ovlivňované Quorum sensing
u G+ bakterií
- Kompetence pro transformaci
(Streptococcus pneumoniae)
- Sporulace (Bacillus)
- Produkce faktorů virulence
(Staphylococcus aureus)
- Vývoj vzdušného mycelia
(Streptomyces griseus)
- Produkce antibiotik (Streptomyces griseus)
Quorum sensing
• Nejčastější procesy ovlivňované Quorum sensing
u G- bakterií
- Bioluminiscence (Vibrio fischeri)
- Produkce faktorů virulence
(Pseudomonas aeruginosa)
- Konjugace (Agrobacterium tumefaciens)
- Produkce antibiotik (Erwinia carotovora,
Pseudomonas aureofaciens)
- Tvorba biofilmu (Pseudomonas aeruginosa)
Biofilm
• Biofilm je „nahromadění“ mikroorganizmů rostoucích na
pevném substrátu.
• Biofilm je charakterizován strukturální heterogenitou,
genetickou diverzitou, komplexem interakcí uvnitř
společenstva a extracelulární matrix tvořenou
biologickými polymery
• Tvorba biofilmu začíná připojením volných buněk k pevné
podložce. První buňky (pionýrská populace) jsou k podložce
připojeny slabými, reverzibilními Van der Waalsovými silami.
Pokud nejsou buňky spontánně odděleny, mohou se vázat
pevnějšími vazbami, na počátku adheziny (ale je možné
využít i pili)
1.10.2018
6
Tvorba biofilmu
…společenství buněk usazených v glykokalyx,
přichycených k povrchu nebo okolním buňkám, se
změněným fenotypem růstu a jinou transkripcí genů
přirozené prostředí, průmysl,
těla živočichů, klinický materiál…
Stafylokok na povrchu katétru
Biofilm v Národním parku
Yellowstone (zvýšení až půl metru)
Biofilm
Zvláštnosti biofilmu
Přenos genů mezi buňkami až 1 000x větší
Vyšší rezistence k ATB a dezinfekci (H202, chlor)
- omezená difúze
- sorpce ATB
- klidový stav, hladovění
- změna genotypu:
geny mar – multiple ATB resistance
- efflux systém
- enzymatická degradace
- modifikace cílových mlk
Speciální sigma faktory
Signální mechanizmy
Zubní povlak
- A. van Leewenhoek
- periodontitida
Střevní sliznice
Infekce
- sliznice nebo uvnitř tkáně;
- endokarditida
- trvalý biofilm na chlopních
(strepto- a stafylokoky;
nebezpečí z krvácivých dásní)
- rány; bércové vředy; spáleniny
Biofilm v lidském těle
výhoda biofilmu – perzistence a R k ATB
- pH při rozkladu zásobních cukrů
poškozuje sklovinu zubu
- silně redukující prostředí v kapsách
pod dásní – proliferace
anaerobů
1.10.2018
7
Schéma zubního plaku
• Zubní plak obsahuje více než
37 rodů a 300 druhů
bakterií (cca 20 druhů
streptokoků)
• Na buňky vázané na zubní
sklovině se adheziny
pevnějšími nebo slabšími
vazbami váží další buňky
• Různé bakterie přednostně
adherují a kolonizují
různá místa dutiny ústní