Úvod do biologie Mikroorganismy, šedé eminence biosféry Petr Pyszko Ostravská univerzita https://scontent.fprg2-1.fna.fbcdn.net/v/t31.0-8/11406758_987647151268567_1197193731071919889_o.png ?_nc_cat=109&_nc_sid=09cbfe&_nc_ohc=rLbOiV0lfgkAX_cAAsI&_nc_ht=scontent.fprg2-1.fna&oh=6719a0bbce92 1e237f9c154d0176999a&oe=5F7177AC Mikroorganismy •Prokaryota: bakterie, archea •Eukaryota: plísně, kvasinky, řasy, prvoci,… •Kultivovatelné 1–2 %, proto rozvoj metagenomiky (z moře známo 0.001 %) • Bakterie – Wikipedie IAN - Organismy žijící v extrémních podmínkách - ARCHAEA Detektivem ve světě kvasinek - Články - Biolog | Přírodovědci.cz Prvoci – Wikipedie Předpokládá se, že z mořské vody se zatím kultivovalo 0,001–1 % přítomných mikroorganismů, ze sladké vody 0,25 %, z půdy 0,3 % a zřejmě nejvíce (1–15 %) z aktivovaného kalu. Mikrobiota člověka •1014 jedinců: střevo, kůže, ústa, průdušky, pohl. orgány •Kůže: Aktinobacteria, stafylokoky → zápach potu •Ústa: Actinomyces → zubní plak → kyselina mléčná; streptokoky, více patogenů u kuřáků a jejich dětí • Actinomyces israelii NEUF2011 - microbewiki Pupíky šedesáti dobrovolníků: 2368 druhů bakterií, z nichž 1458 bylo do té doby zcela neznámých. Pot: Nepříjemný zápach způsobují zejména stafylokoky, mikrokoky a bakterie, které rozkladem tuků tvoří zapáchající mastné kyseliny. Ústa: Mikroflóra v ústech závisí na stavu zubů – bezzubá ústa se liší svou mikroflórou od úst s chrupem – kvůli možnosti tvorby plaku na zubech. Tento film obsahuje zejména gramnegativní vláknité anaerobní bakterie zkvašující cukry na kyselinu mléčnou. Ta způsobuje odvápnění zubní skloviny, a to vede k tvorbě zubního kazu. Na základě studie, která se zabývá právě vlivem expozice kouření na stav mikroflóry v ústech, se zjistilo, že kuřáci mají v dutině ústní méně aerobních a anaerobních organismů se schopností pozitivně zasahovat do daného prostředí, naopak obsahují více potenciálních patogenů ve srovnání s nekuřáky. Mikrobiota člověka •Dýchací cesty a urogenitální trakt: stafylokoky •Pochva: Lactobacillus – fermentují glykogen, snížení pH • • • Z močových cest je za normálních okolností osídlena jen přední část močové trubice, což je nutné si uvědomit při vyšetření moči, protože tyto bakterie způsobují běžnou kontaminaci odebraných vzorků. U cisgender jedinců Lactobacillus téměř u všech jedinců, u transgender u méně než 3 %. Kromě toho transgender jedinci vykazovali větší vzájemnou nepodobnost (betadiverzitu) a větší druhovou pestrost (alfadiverzitu) Mikrobiota člověka •Human microbiome •Souvisí s: věk, strava, cvičení, léky, antibiotika,… •Specifické pro různé skupiny: Japonci tráví řasu Japonci mají zase problém s odbouráváním alkoholu, který my zvládáme, ale to je jiná záležitost = Alkoholdehydrogenáza Mikrobiota – mikroflóra střeva •Cca 400–500 druhů bakterií ve střevě •Dítě sterilní, inokuluje se od matky (porodní cesty – Enterococcus, mléko – Lactobacillus, Bifidobacterium) •Nejčastější: Bacteroides (až 30 % bakterií ve střevě),… Inflammatory Arthritis Microbiome Consortium — The Kennedy Institute of Rheumatology Bakterie tvoří 60 % hmotnosti stolice. Devadesát devět procent těchto bakterií však pochází z 30–40 nejběžnějších druhů. Některé druhy bakterií, které jsou ve zdravém složení neškodné se mohou stát v jiném kontextu oportunními patogeny. Jiné mikroby jsou obligátně patogenní a mutualistický vztah s hostitelem neustavují vůbec. V důsledku poměrně rychlé a chaotické kolonizace odpovídá střevní mikrobiom dítěte už zhruba na konci druhého roku jeho života dospělému jedinci. Mikrobiota – mikroflóra střeva •Další bakterie: Escherichia coli: kyselina mléčná, vit. B,… vs. průjmy apod. – jak je to možné? •https://www.youtube.com/watch?v=plVk4NVIUh8&ab_channel=HarvardMedicalSchool • Bakterie a E. Coli - PitnáVoda.cz Escherichia kvasí celou řadu cukrů s tvorbou kyseliny mléčné. Dále se podílí na produkci vitaminů skupiny B a látky s antibiotickým účinkem. Tímto ovlivňuje i ostatní bakteriální flóru střeva. Mikrobiota – mikroflóra střeva •Houby: Candida, Saccharomyces, Penicillium,… •Archea: Methanobrevibacter smithii – Archea odolná proti antibiotikům, možný prostředek proti obezitě • M. smithii (Methanobrevibacter smithii) Mimo bakterie jsou častými mikroorganismy v střevech i různé houby, prvoci a viry. Mikrobiota – mikroflóra střeva •Role: okyselení prostředí – blokování patogenů, stimulace imunitního systému, absorpce minerálů (Ca a Mg), vytváření vitamínů B a K, trávení mastných kyselin, fermentace polysacharidů, produkce hormonů a neurotransmiterů, zpracování rostlinných aminokyselin •Narušení může vést k: rakovina tlustého střeva, záněty střeva ale i alergie, obezita, cukrovka, … FitGourmet - martina benešová - SOUTĚŽ!!! Mikrobiom, mikrobiota, střevní mikroflóra …. Téma, které je posledních pár let mezi odborníky i neodborníky hodně v kurzu, a zdá se, že oprávněně. Postupně se totiž Zdravá mikrobiota blokuje přeměnu dusičnanů na dusitany, které způsobují karcinomy tlustého střeva. Mikrobiota – mikroflóra střeva •„Druhý mozek“ •Vnímání bolesti, deprese, učení, manipulace mozku, altruismus,… •Faecalibacterium → butyrát → snížení zánětlivosti střeva → lepší kvalita života + menší depresivnost •Flavonifactor: depresivní pacienti IQ střev Symbiotické bakterie ve střevech ovlivňují deprese, nálady i vnímání bolesti: Výzkum za výzkumem totiž ukazuje, že střevní mikroflóra ovlivňuje náš mozek, hormonální systém i nervovou síť. Prvním krokem léčby psychických onemocnění by se tak v budoucnu mohla stát analýza naší střevní mikrobioty spojená se změnou stravy či transplantací mikroorganismů od zdravých dárců. Co když je ale pomyslná "linka" obousměrná? Mikrobiota – mikroflóra střeva •Helicobacter pylori: vznik žaludečních vředů vs. nižší riziko astmatu, alergie, cukrovky, rakoviny,… •Ještě před sto lety 8/10 lidí + rychlé mutace – sledování migrací populací. Vitamin Station Rychlotest Helicobacter Pylori - skladem | BENU.cz ProViotic Helicobacter 10 tablet | Pilulka.cz Mikrobiota – Probiotika •Bakterie které ovlivňují příznivě složení mikrobioty střeva •Patří do skupiny bakterií mléčného kvašení: hl. Lactobacillus, Bifidobacterium a Enterococcus. •Role: prevence průjmů, snížení rizika karcinomu tlustého střeva, snižování vstřebávání cholesterolu,… • Probiotics Lactobacillus Bifidobacterium And Lactococcus Probiotic Bacteria In Circle Good Bacterias Vector Illustration Set Stock Illustration - Download Image Now - iStock Prebiotika: látky sloužící jako živina probiotik v tlustém střevě (oligosacharidy, některé polysacharidy – inulin) Mezi kritéria, která musí bakterie používaná jako probiotika splňovat, patří: nesmí být patogenní, musí být natolik rezistentní, aby se nezničila nebo neoslabila během průchodu trávicím traktem nebo v průběhu technologického zpracování, musí zůstat životaschopná po celou dobu trvanlivosti potraviny, neměla by ovlivňovat organoleptické vlastnosti potraviny, přichycuje se snadno na epiteliální buňky ve střevech a je schopna dalšího růstu, je prokázán její pozitivní vliv na zdravotní stav. Mikrobiota – Transplantace stolice •Transplantace stolice – fekální transplantace •Pacient podléčen ATB, poté nasojejunální sonda, klysma •Úspěšná léčba střevních zánětů, autoimunitních nemocí •Do budoucna: deprese, děti po císařském řezu,… • • Přenos stolice v nativní či zpracované formě od dárce k příjemci. Je prováděna za účelem léčby příjemce, vysoká účinnost je prokázána zvláště v terapii na antibiotika resistentní recidivující enterokolitidy Odebrání kolem 40–200 g stolice, její homogenizace ve fyziologickém roztoku (typicky rozmixováním či rozkvedláním), odstředění či přefiltrování se získáním supernatantu či filtrátu přibližně dvojnásobného objemu oproti stolici. Aplikace příjemci nasojejunální sondou, klysmatem či nejúčinněji endoskopicky do slepého střeva. Patogenní a toxinogenní mikrobi •Salmonelóza: Salmonella, v ČR nejvýznamnější do 2006 •Kampylobakterióza: Campylobacter jejuni, po roce 2006 •Shigelóza: Shigella spp., vodnaté průjmy • Salmonela (Salmonelóza) - prevence, příznaky, léčba - Lékárna.cz Campylobacter jejuni | Campylobacter Food Poisoning Questions & Answers | Shigella – Shigellosis | CDC Salmonella: Zdroj potraviny živočišného původu (maso, masné výrobky, mléčné výrobky, vejce). Zdroj infekce zvíře či člověk. U drůbeže, mohou salmonely přecházet z vejcovodu do vajec. K onemocnění je potřebná velká infekční dávka. Salmonely mohou přežívat v mražených potravinách několik měsíců, nesnášejí však vysoké teploty nad 65 °C působící po 15–20 minut. Projevy: zvracení, průjmy Kampylobakterióza: Nákaza z tepelně nedostatečně zpracované drůbeže, či druhotně člověk ze stolice. Projevy: vodnaté průjmy. Shigelóza: Malá infekční dávka z odpadních vod, z člověka na člověka rukama, jakákoli tepelně neupravená potrava (ovoce, zelenina), akutní průjmové onemocnění s horečkou a zvracením. Ročně způsobuje Shigella celosvětově 80–165 milionů případů, z čehož zřejmě až 600 000 postižených zemře. Patogenní a toxinogenní mikrobi •Listerióza: Listeria monocytogenes, 25% smrtnost, meningitida, psychrofil •Botulin: Clostridium botulinum, neurotoxin (smrt udušením) •Úplavice: Entamoeba histolytica, prvok, tropy a subtropy • 1 Entamoeba histolytica trophozoite 2 Entamoeba histolytica cyst | Download Scientific Diagram Compliant Detection of Listeria monocytogenes in Food & Listerióza: 25 % u těhotných, novorozenců a osob se sníženou imunitou. Sepse, meningitida. Konzumace potravin dlouho skladovaných v chladničkách, zejména měkkých sýrů a masných a rybích výrobků – listerie všude, ale v těchto podmínkách pomnožení. Riziko v současné době zvyšuje také rozšíření trhu s potravinami, tzn., že se stále více oddaluje místo a čas výroby a spotřeby. Clostridium botulinum: půdní anaerobní organismus. Přenos nákazy nastává požitím nasolených či konservovaných potravin (klobásy, masové, rybí i zeleninové konservy) obsahujících Cl. botulinum bez dostatečné tepelné úpravy. Začíná zácpou, zvracením, může končit obrnou dýchacích svalů. Úplavice: Zdrojem je nemocný člověk, průjmy, perforace střeva a postižení jater. Mikrobi kazící potraviny •Kažení: narušení vzhledu, chuti, pachu; toxicita •Psychrofilní bakterie: 2–8 °C •Plísně: mykotoxiny • 6 Old-Time Ways to Check If Your Food Has Spoiled - Survivopedia Některé druhy plísní produkují pro člověka toxické mykotoxiny. Jak tohle zvládáme? •Člověk jako superpredátor, lov/vybití velkých savců, přechod na rostliny z nouze → maso tučné, staré a zkažené → evoluce kyselého žaludku → ochrana proti bakteriím ale velké energetické nároky. •Důkaz 2: Živ. proteiny smí tvořit jen 35–50 % zdroje energie, jinak otrava → zdroj hlavně tuk → vybíjení dospělců → velký mozek → „paleodieta“ jako nesmysl, intolerance mléka a lepku,… Details are in the caption following the image Studium potravy pravěkého člověka: nelze srovnávat s dnešními lovci a sběrači (nemají k dispozici tolik megafauny), nastupuje studium genetiky, morfologie, metabolismu a fyziologie. Před vyšlechtěním specializovaných plodin a domestikací zvířat dávajících mléko platilo, že bílkoviny = maso → tedy po 99.5 % evoluce dravého H. sapiens Mikrobi při výrobě potravin •Saccharomyces cerevisiae •Droždí: chleba, kynuté pečivo (přeměna cukrů na CO2 + alkoholy, aldehydy, estery,…); ocet, zelí, rychlokvašky,… •Využití od neolitu Microbiology from A to Z explained - Micropia - Micropia Saccharomyces cerevisiae pochází původně z kvašení hroznového vína (Evropa) a rýže (Asie) Mikrobi při výrobě potravin – pivo •Saccharomyces cerevisiae – svrchní kvašení •S. pastorianus – spodní (až od 19. stol) •Brettanomyces lambicus, B. bruxellensis: lambic a další belgická piva, napodobení spontánního kvašení •Lactobacillus: lambic, gosé a jiné „kyseláče“, pivo „Yoni“ First Vaginal Beer: Bottled Instinct | Indiegogo Gose – Wikipedie Podle oficiální taxonomie nejsou jednoznačně odlišovány kvasinky pivovarské od divokých. B. bruxellensis: původní výskyt jen v údolí řeky Senne blízko Bruselu. K chmelení se často používá starý, uschlý chmel, který nedává pivu chmelovou chuť a slouží jen jako konzervant. Gose je starobylý německý druh piva. Vyrábí se svrchním kvašením ze sladu s nejméně polovičním podílem pšenice, do kterého se přidává kuchyňská sůl a mletý koriandr. Protože pivo dokváší ještě v lahvích, plní se do speciálních baňatých lahví ze silného skla s dlouhým hrdlem. Nápoj je kalný a má nažloutlou barvu, chuť je pikantní s ovocnými tóny a jen mírnou hořkostí. Tento styl piva vznikl v Goslaru, podle kterého byl také pojmenován. Nejstarší písemná zmínka o něm pochází z roku 1332. V roce 1738 se toto pivo poprvé dostalo do Lipska, které se brzy stalo jeho hlavním producentem. Zpočátku se vyrábělo spontánním kvašením. Výroba i ošetřování tohoto živého piva byly vždy dosti náročné, což se odráželo na jeho vysoké ceně. Po druhé světové válce produkce gose upadla. Pivovar v Döllnitzu ukončil činnost poté, co bylo jeho zařízení odvezeno do Sovětského svazu jako součást reparací. Mikrobi při výrobě potravin – víno •Saccharomyces cerevisiae •Sachcaromyces c. var bayanus: u tichých vín citrusové aroma, ale spíše sekty, produkce alkoholu 17.5 % •8000–10000 př. n. l. • Image 1 Vinné kvasinky mají podle analýzy genetické příbuznosti až na několik výjimek společný původ a byly domestikovány 8000–10000 př. n. l. Mikrobi při výrobě potravin •Penicillium camemberti; P. roqueforti • Genomická studie odhalila existenci čtyř populací v houbě Penicillium roqueforti, z nichž dvě jsou spojeny s výrobou sýrů a prokazují známky domesticace. Nález nové populace spojené se sýrem Termignon však ukazuje na genetickou odlišnost a zdroj genetické rozmanitosti pro výrobu sýrů s určitými výhodnými vlastnostmi, na pomezí mezi divokými kmeny a domestikovanými kmeny. Výzkum se zaměřil na domestikaci bílé plísně Penicillium camemberti, využívané při zrání měkkých sýrů, jako je Camembert a Brie. Analýzy na úrovni genomu ukázaly, že existovala starobylá domesticace pro šedozelenou plíseň P. biforme, používanou při výrobě sýrů, a novější domesticace pro klonální linii P. camemberti. Obě tyto linie vykazují známky adaptace na výrobu sýrů, včetně změn v barvě, rychlejšího růstu na sýrovém médiu, menší produkce toxinů a schopnosti potlačit růst jiných hub. Mikrobi při výrobě potravin •Zrající salámy: Penicillium či Scopulariopis,… •Aspergillus oryzae: sójová omáčka • Mikrobi při výrobě potravin •Lactococcus, Lactobacillus •Produkce kyseliny mléčné ze sacharidů: mléčné výrobky •Fermentace kávových zrn, kakaových bobů,… •Jogurty (původně v lékárnách): 1. generace (mikroorganismy z kvašení), 2. generace: přidány probiotika, 3. generace: probiotika + prebiotika Bílý jogurt - Cookidoo® – oficiální platforma receptů Thermomix® Activia probiotický jogurt bílý slazený 4 x 120 g | Srovnanicen.cz https://www.probioticky.cz/sub/probioticky.sk/shop/product/scd-purus-9.jpg Mikrobi při výrobě potravin •Kombucha: Symbióza octových bakt. (Gluconacetobacter xylinus, Lactobacillus) a kvasinek (Zygosaccharomyces a jiné); kolonie spojená celulózou (octové bakterie) •Tibetská houba: kultura bakterií a kvasinek Kombucha – Wikipedie Tibetská kefírová houba: Zázrak předávaný z generace na generaci - Bezhladoveni.cz https://www.ochutnejorech.cz/obrazky/original/5103.jpg Kombucha se začala široce pěstovat krátce po skončení první světové války. Podle jedné verze ji přivezli ještě před válkou vyslanečtí úředníci, podle druhé legionáři po skončení války. V tehdejších textech byla nazývána jako kombucha nebo německým názvem Wunderpilz. Obliba výrazně poklesla mezi lety 1926 a 1928, kdy se začaly šířit fámy o tom, že houba roste dál i v lidském organizmu. V roce 1928 byly publikovány první články o obsahu vitamínů, alkoholu, kys. uhličité, octové a mléčné. Mikrobi v potravinách – náboženství •Serratia marcescens: pigment prodigiosin (prodigiosus – zázračný, božský) • Pythagoras (6. stol. PNL), Alexandr Veliký (4. stol. PNL), cca 35 záznamů o krvácejícím chlebu napříč historií křesťanství (tělo Kristovo) •Využití jako marker: 70. léta, Gordon 1906 Na začátku vlády Alexandra Velikého, makedonští vojáci tyto podivné jevy interpretovali jako důkaz, že v krátké době bude v městě Tyru prolévána krev a že Alexander zvítězí. Po této interpretaci město skutečně získali a s vědomím, že se jedná o božské znamení, ovládli Střední Východ a dobyli území až po Indii. Historik a mikrobiolog E. R. L. Gaughran (1969) odhalil více než 35 historických zpráv o vytékající krvi z eucharistického chleba. První takový případ byl zaznamenán v roce 1169 v Dánsku. Během středověku a renesance Serratia pravidelně rostla na hostiích. To vedlo mnohé k domněnce, že se jedná o zázrak - samotnou krev Krista. Například ve středověkých temných vlhkých kostelech se hostie používané při Svaté Večeři často nakazily S. marcescens, která byla zaměněna za krev a považována za zázrak. V roce 1906 M.H. Gordon po kloktání kapalné kultury S. marcescens přednesl pasáže z Shakespeara před publikem petriho misek v prázdné Sněmovně. Byl pověřen studiem atmosférické hygieny v budově Sněmovny poté, co se mezi jejími členy objevila epidemie chřipky. Gordon našel kolonie pigmentovaných S. marcescens na petriho miskách a ukázal, že řeč, stejně jako kašel a kýchaní, mohou vyvrhnout bakterie do vzduchu. Dokonce i v první polovině 70. let byla S. marcescens rozprašována v nemocnicích k studiu pohybu a usazování bakterií. Mikrobi v průmyslu •Čištění odpadních vod (využívají dostupný uhlík) •Biotechnologie: výroba octu z ethanolu atd. •Yarrowia lipolytica: metabolizace ropy – výroba k. citronové Yarrowia Lipolytica — Heureka.cz Yarrowia lipolytica získala pozornost v akademickém i průmyslovém prostředí jako vhodný organismus díky schopnosti vysokého výtěžku produktů, širokému spektru substrátů, a genetické manipulovatelnosti. Má mnoho vlastností, které jsou žádoucí pro průmyslové využití, ale vyžaduje zlepšení v některých oblastech, jako je vyšší potřeba kyslíku a tvorba vedlejších produktů. Y. lipolytica se jeví jako vhodný hostitel pro průmyslovou výrobu chemikálií, paliv, potravin a farmaceutik. Mikrobi v průmyslu •Ideonella sakaiensis •Rozklad plastu: rozklad PET na CO2 a H2O Pin on funny Podle údajů Světového ekonomického fóra ročně spotřebujeme 311 milionů tun plastů a jen 14 % z toho dokážeme zrecyklovat. Velká část končí v moři Výroba plastů exponenciálně roste posledních 60 let, ale způsob likvidace plastů je nekontrolovatelný, což má za následek znečištění všech ekosystémů na Zemi. Hledání alternativních ekologicky udržitelných možností, jako je biodegradace plastů hmyzem a jeho střevní mikrobiotou, je klíčové, ale zatím jsme teprve na začátku Studie zaměřená na změny ve střevní mikrobiotě zavíječe voskového při konzumaci polyethylenu a polystyrenu zjistila, že došlo ke změnám ve složení bakteriální mikrobioty, včetně zvýšeného výskytu dvou kmenů rodu Pseudomonas. Mikrobi v průmyslu •Tvorba antibiotik: Aktinobakterie •Obohacování krmných směsí karotenoidy: Rhodotorula glutinis, Phaffia rhodozyma (drůběž, lososi) Free Range Eggs: Colouring in poultry feed creates allergic reactions Kvasinka je používána díky vysokému obsahu karotenoidního barviva astaxanthinu jako dietní doplněk výživy lososů a drůbeže. Mikrobi v průmyslu •Genové inženýrství: plazmidy – výroba inzulínu •Agrobacterium tumefaciens: GMO rostliny Plazmidy z bakterie izolujeme, napojíme na ně části DNA z chromozomů živočichů a rostlin a použijeme k produkci bílkovin, které bakterie samy nejsou schopny produkovat. Takto lze například pomocí bakterií nasyntetizovat inzulin a další důležité látky. Do DNA A. tumefaciens vložíme gen, který je prospěšný pro rostlinu. Potom se vektor A. tumefaciens i se sekvencí genu vloží do rostlinného genomu. Díky rychlému šíření genomu A. tumefaciens se sekvence jiného genomu dostane do orgánu rostliny, který chceme „změnit“. První přenos genů na bázi bakterie A. tumefaciens se uskutečnil začátkem 80. let 20. století, kdy se do rostliny tabáku podařilo vnést sekvenci cizorodého genu. Význam v ekosystémech •Tvoří 1/3 celkové biomasy •Základní zdroj živin potravinových řetězců i jejich konec •Vzduch: více nad pevninou, nad průmyslovými městy •Voda: v oceánech vytvoří 800 mil tun uhlovodíku ročně •Degradační schopnosti – bioremediace • Bioremediation - Process | Types of Bioremediation | Examples Bioremediace – odstraňování nejrůznějších polutantů z prostředí Význam v ekosystémech •Hl. v půdě (Archea jen 1.4 %) •1 g = 108–1010 bakterií, 4 000 druhů (z 60 tis). •Arthrobacter: 40 % váhy mikrobů detekovaných kultivací •Streptomyces: 5–20 %, produkce geosminu – vůně vlhké půdy, uvolňuje při dešti na suchou půdu petrichor • • GEOSMIN by Morgan Johnson Petrichor Review | Board Game Quest Streptomyces spp. Přesto je představa o půdě kypící mikrobiálním životem pro většinu půdního prostředí mylná. Většina mikroorganismů je v půdě v klidovém stádiu Petrichor: Vůně vzniká díky oleji vylučovanému některými rostlinami během suchých období, kdy je tento olej absorbován do hlinitých půd a hornin. Během deště se spolu s další sloučeninou, geosminem, což je metabolický vedlejší produkt některých aktinobakterií, který je vylučován z vlhké půdy, uvolňuje olej do vzduchu a vytváří tak charakteristickou vůni. Význam v ekosystémech •Koloběh prvků v přírodě, hlavně dusíku – nitrifikace (Archea), filtrace vody, absorbce plynů, tvorba humusu •Bacillus: fixace vzdušného dusíku •Clostridium: fixace dusíku + produkce tetanotoxinu •Rhizobium, Bradyrhizobium: symbiotičtí fixátoři dusíku v bobovitých rostlinách, Frankia – olše File:Frankia alni at Alnus sp. (02).jpg - Wikimedia Commons Nitrifikace: Během rozkladu bílkovin uvolňovaných z mrtvé organické hmoty je uvolňován amoniak a ten je ve formě amonných solí oxidován nitrifikačními bakteriemi na dusitany a dusičnany, jež rostliny užijí jako zdroj dusíkaté výživy. Význam v ekosystémech •Mykorrhiza: hl. houby, mycelium, př. Armillaria ostoyae •1 g půdy = 20 metrů mycelia, podzemní internet Oregon Humongous Fungus Sets Record As Largest Single Living Organism On Earth - OPB Pečlivě skrytá komunikační síť lesa: O čem si povídají houby? | 100+1 zahraniční zajímavost Největší organismus světa: Malheur National Forest v Blue Mountains východní Oregon Souhrnná délka všech kořenů jednoho dospělého dubu je zhruba osm kilometrů, přičemž se odhaduje, že mykorhizní vlákna na nich napojená mohou dosahovat až 40 000 kilometrů. Symbionti hmyzu •Nejpočetnější skupina – důvod spolupráce s jinými •Vnitrobuněčné symbiózy (5–20 % hmyzu, hl. mšice): Karel Šulc (05.11.1909, Ostrava), „bakteriocyty“ (bakteriomy), mycetocyty (brouci) •Střevo většiny druhů – někdy chudé Case study: why so many beetles? Aphid bacteriome and individual bacteriocytes and Buchnera cells. (A)... | Download Scientific Diagram 9. Nutritional symbiosis in insects. Insect symbionts (represented by... | Download Scientific Diagram Karel Šulc (1872–1952) – nominace na Nobelovu cenu Bakteriocyt – buňka nesoucí symbiotické bakterie, bakteriom – orgán složený z bakteriocytů; mycetocyt – buňka nesoucí symbiotické houby (např. u některých mšic, křísů a červců), mycetom – orgán tvořený z mycetocytů. Jedním z důvodů chudé střevní mikrobioty hmyzu je u některých skupin životní cyklus s dokonalou proměnou (z larvy přes kuklu do dospělce), kdy dochází k radikální přestavbě střeva, většina bakterií je ztracena a musí být znovu získána z prostředí nebo od jedinců stejného druhu. Symbionti hmyzu – způsob přenosu •Vertikální přenos: matka-potomstvo, váčky s inokulem bak. (brouci, ploštice: symbiot. kapsule; trus; kutilky a hrabalky: Streptomyces pomocí tykadel) •Horizontální přenos: mezi jedinci (sex, kanibalismus, parazitoid-hostitel) •Filtrování z prostředí: Burkholderia (vroubenky) Aphid Control with Aphidius & Aphelinus parasites Květolib včelí (Philanthus triangulum) klade své potomstvo do vlhkých podzemních hnízd, což jej ale vystavuje houbovým a bakteriálním infekcím. Proto se u nich vyskytuje bakterie Streptomyces philanthi chránící potomstvo proti mikrobiální infekci během vývoje, kterou samice pěstuje ve speciálních žlázách na tykadlech. Symbioza vroubenek a Burkholderia: Vroubenky ji získávají v každé generaci znovu z půdy nebo oblasti kořenů během detritovorního larválního stádia. Experimenty přitom ukázaly, že infekce symbiontem je pro přežití vroubenek nezbytná. Tento způsob přenosu, zisk z prostředí, je pro obligátního symbionta naprosto unikátní a připomíná velmi známé symbiózy mezi rostlinami a půdními mikroby, jako je vztah luštěnin a bakterie rodu Rhizobium nebo olše a bakterií rodu Frankia a jedná se tedy o mutualistickou, ale přesto nestálou asociaci mezi hmyzem a mikroby. Symbionti hmyzu – význam •Nutriční symbiózy: zpracování těžko stravitelné potravy: dřevo (celulóza a lignin), krev, tekutina floému •Zdroj vitamínů, hlavně B (krev sající hmyz), zdroj aminokyselin (hlavně sání mízy), recyklace dusíku z moči •Neschopnost syntézy cholesterolu (ergosterol) •Detoxifikace: štěpení nikotinu, kofeinu, salicinu,… •Obrana před parazitoidy, patogeny,… • Potential applications of insect symbionts in biotechnology | SpringerLink Hmyz nedokáže syntetizovat cholesterol, který je prekurzorem steroidních hormonů. Dravci ho dostávají z živočišné potravy, herbivoři z fytosteroidů, další třeba z ergosterolu symbiotických hub. Základní výzkum hmyzích symbióz každý rok přináší stovky nečekaných objevů, které mohou být i prakticky využity k eliminaci řady hmyzích škůdců a přenašečů chorob. Symbionti hmyzu – příklady •Termiti („divní“ švábi): primitivní mají prvoky brvitky – trávení celulozy, pokročilejší – bakterie a jiná potrava nebo pěstování hub rodu Termitomyces •Tesaříci: YLE – yeast-like endocytobionts v mycetocytech – kvasinkovité houby, pomáhají trávit dřevo •Tse-tse, kloši a jiný krevsající: Wigglesworthia – mléčné žlázy •Míza: mšice (Buchnera – 280 mil), křísci (Sulcia – 260 mil) • Volvocine Line Evolution of Multicellularity in flagellated green algae. - ppt download Genes | Free Full-Text | Rediscovering a Forgotten System of Symbiosis: Historical Perspective and Future Potential | HTML Wigglesworthia - an overview | ScienceDirect Topics Brtvitky: Parabasalia, také Oxymonada Adenotrofní viviparie: Larvy těchto much se vyvíjejí v děloze samice, kde se živí mlékem z modifikovaných přídavných žláz. Prostřednictvím těchto žláz se ale přenášejí i speciální symbionti, jako je např. bakterie druhu Wigglesworthia glossinidia. Symbionti hmyzu – kůrovci •Houby Ophiostoma a Ceratocystis,… •Mykangia – žláznaté prohlubně se spórami •Role: oslabení stromu (lýkožrout smrkový), feromony •Později výživa: ambrozioví kůrovci (počátek v křídě), u nás dřevokaz čárkovaný (největší škůdce) •Mycetokleptismus – krádež zahrádky • Mycangium - Wikipedia One can be the deadliest number when it comes to invasive species | US Forest Service Xylosandrus germanus Většina kůrovců si „své“ houby přenáší v mykangiích – mikroskopických žláznatých prohlubních vyplněných olejovitými tekutinami. Do mykangií se kůrovcům zachytávají spory symbiotických hub rostoucích v jejich rodném požerku a ven jsou vyplavovány jen tehdy, když kůrovec tvoří závrt v novém hostitelském stromě a jeho mykangia vylučují zvýšené množství olejovitých látek. I když jde kůrovcům jen o malou plochu lýka kolem požerku, nestačí zneškodnit obranu na této ploše. Kůrovci mají jedinou možnost – spojit své síly a v hromadném krátkodobém náletu rozvrátit obranyschopnost stromu. Strom se brání hustou sítí kanálků s pryskyřicí, která je v nich nahromaděna pod tlakem a pro kůrovce je jedovatá. Holandská nemoc jilmů, kterou vyvolává kůrovci (hl. Scolytus multistriatus) přenášený druh Ophiostoma novo-ulmi. Ceratocystis polonica, spolupracující s lýkožroutem smrkovým. Dřevokaz čárkovaný sice nezabíjí stromy, ale své požerky vrtá hluboko do dřeně pokácených smrků a pěstováním dřevokazných hub znehodnocuje okolní dřevo. Většina feromonů kůrovců jsou vlastně jen mikrobiálně přemetabolizované produkty hostitelského stromu. U kůrovců si mycetokleptické druhy hledají „galerie“, což jsou chodbičky vzniklé požerkem larev jiného druhu, které jsou prorostlé symbiotickou houbou, a využívají jeho založené houbové zahrady. Hostiteli kůrovce Xylosandrus germanus je více než 200 různých druhů dřevin. Tento hmyz přitahuje ethanol. I když ethanol má silné antimikrobiální účinky, ambrosioví kůrovci hloubí své komůrky přesně do dřeva nasyceného alkoholem. Ukázalo se, že ethanol ve skutečnosti podporuje růst houbového symbionta, zatímco potlačuje ostatní konkurenční "plevelové" mikroorganismy. Izolované kultury houby vytvářely větší biomasy a dosahovaly vyšší hustoty při vyšší koncentraci ethanolu (použily se koncentrace až 5 %). To naznačuje, že ambrosiové houby úspěšně metabolizují ethanol. Již dlouho bylo známo, že tyto houby ethanol samy producují, což znamená, že jsou schopny regulovat jeho množství, i když hostitel přestane ethanol vylučovat. Symbionti hmyzu – vnitrobuněční •Wolbachia + Rickettsia: vnitrobuněční paraziti •Volně žijící: horečka Skalistých hor, skvrnivka •Nejhojnější: mitochondrie •Přenos v mateřské linii: nakažení samečci vs. nenakažené samičky u komárů (x), navození partenogeneze (vosičky), zvrácení chromozomální determinace (korýši) •Ochrana proti virům, parazitoidům, dodávání vitamínů,… WOLBACHIA BACTERIA IN ACTION | How we're using naturally occurring bacteria to stop mosquitoes from spreading disease – PEARG Zvrácení chromozomální determinace: Infikovaná embrya, která by se měla podle genetické výbavy vyvíjet jako samci, dospějí přesto ve funkční infikované samičky a to opět slouží k zajištění vertikálního přenosu wolbachie. Symbionti hmyzu – vnitrobuněční •Nejstarší 300 mil let, nejnovější teď •Postupná ztráta genů + HGT •Min. 150 genů (Tremblaya červci) < plastidy •Buchnera aphidicola: 422 kb (bakterie několik Mb) – vymření nebo nové organely (přestává být dokonce užitečná, Serratia symbiotica) • • • The chromosome architecture of Buchnera aphidicola Ap. Graphical... | Download Scientific Diagram U některých skupin hmyzu vnitrobuněční symbionti zřejmě pomohli hostitelům specializovat se na jeden druh potravy a obsadit tak nové ekologické niky. Buchnera: Svému hostiteli tedy symbiont přestává dostatečně pomáhat a hostitel využívá sekundárního symbionta, bakterii Serratia symbiotica, přičemž seracie pravděpodobně dokrmuje i buchneru. Prvoci •Význam: Samočištění vody, součást půdy •Mutualisti: bičíkovci v termitech, nálevníci v bachoru přežvýkavců – trávení potravy •Patogeny: malárie (Plasmodium), spavá a Chagasova nemoc (trypanozomy), měňavková úplavice,… • • Bachořci – Wikipedie Datei:P vivax gametocyte3.jpg – Wikipedia Trypanozomy – WikiSkripta Měňavka úplavičná – Seznam.cz Prvoci •Toxoplasma gondii • 30–40 % Čechů infikováno •Manipulace s lidským chováním: větší riskování, pomalejší reakce, ale také možná menší výskyt alergií •Paraziti člověka: obrana proti autoimunitním nemocem • • Jaroslav Flegr - Milý Micíku. Ozval se mi starý známý,... | Facebook Prvoci •Srpen 1962: smrt tří osob na meningitidu v Ú. n. L. •Červenec 1963: šest osob, všichni navštívili bazény •Říjen 1964: pět osob, všichni Vrbenské lázně •Září 1965: dvě osoby, bazén uzavřen, rekonstrukce – náhrada technologie ze 30. let a nový zdroj vody •Vyšetřování: Karel Raška: původ Mima polymorpha a fyzický stres •1967: popis případů menigitidy vyvolané amébami, kontrola pitevního materiálu – objeven neurčitelný prvok •1967–1969: Kontrola bazénu prokázány améby ale nepatogenní •1977: zachycena Naegleria fowleri rostoucí při teplotě 42 °C •1978: Rezervoár za Moniérovou stěnou z 50. let •Vyplavování vždy po plaveckých závodech, kdy více vody •Souhra náhod: už později nikdy nenastala • • • Čech, který porazil neštovice. Komunisté ale epidemiologa Rašku o zásluhy připravili — ČT24 — Česká televize 1962: dvě oběti se znaly, jinak nic, příčina neznámá 1963: zdroj asi plavecký bazén, meningokok neprokázán 1964: zpětnou analýzou prokázáno, že všichni se koupali ve Vrbenských lázních, zároveň žádný lehčí případ nevypátrán, vše končí úmrtím 1965: Kontaktní onemocnění vyloučeno, většina se neznala. Čtyři oběti se koupaly v bazénu jen jedenkrát, z čehož bylo možno stanovit inkubační dobu, která se pohybovala od 4 do 7 dnů. Úmrtí do dalších 2–7 dní, při bakteriologickém vyšetření likvoru ani v jednom případě prokázán meningokok, terapie antibiotiky nezabírala Voda z Labe se nahradila pitnou vodou z městského vodovodu. Moniérova stěna, aby se dosáhlo přesné délky bazénu 25 m a mohl být využíván pro závodní plavání. Tento prostor se postupně zvětšoval, takže v době odhalení byl až 10 cm široký. Prvoci •Naegleria fowleri: prim. amébová meningoencefalitida • Sladká voda, vyšší teplota, průnik nosní dutinou, podél čichového nervu do mozku – lýze, kóma a smrt. •200 případů/4 přeživší, epidemie 1963–65 (Ú.n.L.) – 16 lidí – unikátní událost • • A Brain-Eating Amoeba Just Claimed Another Victim | WIRED Naegleria fowleri: a ameba zumbi comedora de cérebros – Matéria Incógnita