Archea 800px-Phylogenetic_tree_svg Tři domény Biologie Archea microbiologist-profile FG03_35B Escherichia_coli_hemorrhagic eyal_1 pyrodict Dr. Carl Woese Archaea - 1977 (16S rRNA) File:Phylogenetic tree.svg Srovnání některých znaků Archaea, bakterií a eukaryot Společné vlastnosti Archaea a Bacteria • -Prokaryotní stavba -Malá velikost buněk (mikrometry) -Jeden kruhový chromozom -Dělení buněk -Ribozomy 70S -Zásobní látky podobné jako u bakterií -Fixace molekulárního dusíku -Bičík – podobná funkce, ale složení a původ se liší -63% genů jako u bakterií • (tentýž poměr mezi bakteriemi) -Nejvíce rozdílů v replikaci DNA • transkripci a translaci • pyrodict Escherichia_coli_hemorrhagic Comparison of the membrane envelope between prokaryotes. Společné vlastnosti Archaea a Eukarya -Stavba RNA polymerázy -Homologie ribozomálních proteinů -Účinek antibiotik na proteosyntézu -Met místo fMet na počátku proteinu (N-Formylmethionine) -DNA vazebné proteiny homologické s histony pyrodict myxo_mushroom Stategies taken to counter antibiotics Morfologie buněk Archaea • •a/ Methanobacterium •b/ Methanosphaera •c/ Methanoplanus •d/ Methanospirillum •e/ Halobacterium •f/ Halococcus •g/ Thermoplasma •h/ Methanolobus •i/ Pyrococcus •j/ Haloferax Morfologie buněk Archaea • • http://www.daviddarling.info/images/archaea.jpg Základní struktura buňky Archaea •Buněčná stěna •Cytoplazmatická membrána •Základní cytoplazma • • •http://www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaeamm.html Buněčná stěna Archaea •Buněčná stěna má rozmanité chemické složení •Není nikdy přítomný peptidoglykan jako u eubakterií •Methanobacterium sp. obsahuje v buněčné stěně glykany a peptidy : –Glykany: •N-acetyltalosaminuronová kyselinu (NAM) a N-acetyl glukózamin (NAG) •NAM a NAG jsou spojeny beta 1, 3 glykozidickou vazbou •Nejsou citlivé na působení lysozymu –Peptidy: •Krátké peptidické řetězce jsou připojeny k NAM •Aminokyseliny jsou pouze typu L •Penicilin nepůsobí na syntézu buněčné stěny Methanosarcina sp. , obsahují sulfátované polysacharidy •Halococcus sp. obsahují sulfátované polysacharidy •Halobacterium sp. obsahuje v buněčné stěně negativně nabité kyselé aminokyseliny, umožňující růst až do koncentrace 15% NaCl •Methanomicrobium sp. & Methanococcus sp. mají buněčnou stěnu tvořenu pouze bílkovinnými podjednotkami •Některé archea buněčnou stěnu nemají (např. Thermoplasma) • • FG03_35B Bakterie Archaea beta-1,4 glykosidická vazba beta-1,3 glykosidická vazba Buněčná stěna FG03_35B “Pseudopeptidoglykan“ (Methanobacteriales) Někdy S-vrstva (proteiny) jako jediná komponenta buněčné stěny postrádá D-amino acids a N-acetylmuramic acid Pseudopeptidoglykan Pseudopeptidoglykan Pseudopeptidoglykan S-vrstva Funkce : není jasně určena - různá Složení : krystalické proteiny G- archea G+ archea a bakterie G- bakterie Základní struktura buňky Archaea •Buněčná stěna •Cytoplazmatická membrána •Základní cytoplazma • Stavba cytoplazmatické membrány u Archaea •Struktura se zásadně liší od CM bakterií a eukaryot • ► Glycerol • - bakterie a eukaryota - D glycerol – - archebakterie - L glycerol • ► Lipidy – - glycerol dieter (Glycerol + C20) dvouvrstevná membrána – - glycerol tetraeter (Glycerol + C40)- jednovrstevná membrána – - směs di- & tetra- Mono /Bi vrstevná membrána • • Lipidy CM u bakterií a Archaea phospholipid diagram Archaea Většina organismů → Odlišné vlastnosti CM File:Archaea membrane.svg Membrane structures. Top: an archaeal phospholipid, 1 isoprene sidechain, 2 ether linkage, 3 L-glycerol, 4 phosphate moieties. Middle: a bacterial and eukaryotic phospholipid: 5 fatty acid, 6 ester linkage, 7 D-glycerol, 8 phosphate moieties. Bottom: 9 lipid bilayer of bacteria and eukaryotes, 10 lipid monolayer of some archaea. Stavba cytoplazmatické membrány u Archaea Model membrány Archea Membrána složená z integrovaných proteinů a dvojvrstvy C20 dieterů Membrána složená z integrovaných proteinů a vrstvy C40 tetraeterů Cytoplazmatická membrána •Diverzita ve struktuře membrány odpovídá podmínkám, ve kterých archebakterie žijí –Sulfolobus (90oC, pH 2)- rozvětvený řetězec C40. Rozvětvené řetězce zvyšují fluiditu membrány (nevětvené a nasycené mastné kyseliny mají opačný efekt) - zvýšená fluidita je nutná pro růst při vysokých teplotách (až do 110oC, hypertermofilové) –Halobacterium - růst v nasycených roztocích solí –Thermoplasma – růst při vysokých teplotách – bez buněčné stěny Základní struktura buňky Archaea Buněčná stěna Cytoplazmatická membrána Základní cytoplazma Organizace genomu • •Je podobná bakteriím •Jeden cirkulární chromozóm •Extrachromozomální elementy - plazmidy •Odolnost genomu vůči denaturaci teplem •Za zachování integrity genomu u extremofilů je zodpovědná : –Vysoká intracelulární koncentrace solí (cyklický 2,3-difosfoglycerát K – brání depurinaci a depyrimidizaci) –DNA vázající proteiny – zvýší teplotu tání DNA o 40oC – (aka Histone - proteiny podobné Eucarya): •MC1 : Methanosarcinaceae •HMf : Methanobacteriales –Aminokyselinové složení je podobné histonovým proteinům u Eucarya –organizace DNA do chromatinu podobných struktur »histone + Eucarya DNA »HMf + Archaea DNA •HTa : Thermoplasma •HTa-like: Sulfolobus • - topoizomeráza reverzní DNA gyráza – stabilizace DNA šroubovice Ribozomy •Ribozomy jsou stejné jako u bakterií – 70S •Jejich počet závisí na metabolické aktivitě •Obvykle se netvoří polyribozomy •Ribozomy nejsou citlivé na působení chemických látek (stejně jako u eukaryot) Bičíky • Archeoglobus fulgidus •Počet bičíků 1 - …. •Počet bičíků se může měnit •Bičíky buňka může snadno ztrácet •Obvykle jsou lokalizovány na jedné části buňky nebo peritrichálně •Ultrastruktura bičíku je stejná jako bakterií – základní stavební jednotka flagelin •Geny zcela odlišné od bakterií •Rotační pohyb bičíku – tokem protonů • • • 1μm http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11250034 1 μm 1 μm 1 1 μm 1 μm Energetický metabolismus u Archaea •Aerobní respirace (Halobacterium) •Anaerobní respirace: unikátní respirace CO2 (metanogeneze - rozklad org.l. na CO2 a z něj • metan), sulfátu, síry •Chemolitotrofie sloučenin síry a železa •Fotofosforylace pomocí bakteriorhodopsinu •Metabolismus uhlíku – heterotrofie a autotrofie: –Oxidace cukrů (Entner-Doudoroff) –Zvláštní mechanismy asimilace CO2 • • • Oxidace cukrů (Entner-Doudoroff) Zvláštní mechanismy asimilace CO2 Energetický metabolismus halofilní Archea •Šest rodů extremně halofilních Archaea žije v hypersalinním prostředí a neroste při nižší • než 1,5 M (9%) koncentraci NaCl •většina druhů vyžaduje 2-4 M NaCl (12-23%) •Všichni extremní halofilové mohou růst v prostředí téměř nasycených roztoků solí (5,5 M NaCl – 32%-nasycení) •Dva rody jsou nejen halofilní, ale také alkalifilní Dobře rostou v prostředí nad pH 9 •Tyto organizmy vyžadují Na+ ionty ke stabilizaci glykoproteinu buněčné stěny •Vysoká externí koncentrace solí je balancována akumulací K+ uvnitř buňky Energetický metabolismus halofilní Archea •Jsou to aerobní chemoorganotrofové s respiratorním metabolizmem •Vyžadují komplexní výživu, především bílkoviny a aminokyseliny •Mohou růst na potravinách (především rybách) a vyvolávají jejich znehodnocení •Některé kmeny syntetizují“modifikovanou“cytoplazmatickou membránu – purpurovou membránu, obsahující bakteriorhodopsin – (chromoforem je derivát retinalu - Ret) tvorba ATP ze světelného kvanta • bez bakteriochlorofylu Bakteriorhodopsin je integrální membránový protein obsažený ve slanomilných archeích Halobacteria. Při nízkém obsahu kyslíku tyto organismy v membráně vytváří okolo 0,5 µm[1] široké purpurové nebo nachové oblasti, jejichž jedinou bílkovinnou složkou je právě bakteriorhodopsin. File:Salt ponds SF Bay (dro!d).jpg Salt ponds SF Bay File:Lanzarote salt pans.jpg Lanzarote salt pans (Španělsko – Kanárské ostrovy) Energetický metabolismus halofilní Archea •bakteriorhodopsiny (podobne rhodopsinu v oku) • - jeden zabezpečuje vytvoření protonového gradientu pro tvorbu ATP (v membráně) • protonová pumpa -, i.e. it captures light energy and uses it to move protons across the membrane out of the cell. The resulting proton gradient is subsequently converted into chemical energy. • Jednodušší než u chlorofylu (zde elektronový transportní řetězec) • - halorhodopsin – využití světla pro transport • chloridových iontů do buňky (iontová pumpa) • (vysoký obsah K+ v buňce) • - další dva rhodopsiny vystupují jako fotoreceptory – light sensor (jeden je červený a druhý modrý) mimo jiné řídí pohyb bičíků tak, aby buňka byla v co nejlepší poloze ke světlu (ve vodném prostředí) • Energetický metabolismus halofilní Archea • Model aktivity bakteriorhodopsinu •Světelným kvantem protonovaný retinal bakteriorhodopsinu přechází z trans formy (RetT) na cis formu (RetC) za současné translokace protonu na vnější stranu. Přechodem “přes“ ATPázu vytvoření ATP uvnitř vně ATP membrána Energetický metabolismus methanogeneze - liší se od metabolismu jiných zástupců Archaea i Bacteria - 2 klíčové skupiny koenzymů: - 1) přenos C1 jednotky z CO2 na finální produkt - 2) redox reakce zásobující elektrony pro redukci CO2 na CH4 Ad1) methanofuran – první krok – vazba CO2 methanopterin – přenos C1 v meziproduktech (CO2 – CH4) coenzym M (CoM) – finální krok (CH3) – CH4 coenzym F430 – terminální krok metanogeneze (nepřenáší C1) Ad2) koenzym F420 – donor elektronů - absorbce světla – fluorescence (detekce metanogenů) coenzym B (CoB) – donor elektronů v terminálním kroku metanogeneze skenovat0002 Energetický metabolismus methanogeneze Fluorescence metanogenních bakterií Za autofluorescenci metanogenních bakterií je zodpovědná přítomnost specifického přenašeče elektronů – koenzym F420 Methanobacterium formicum Methanosarcina barkeri Energetický metabolismus methanogeneze Redukce CO2 a CO •Konečným produktem redukce je metan •Organizmy jsou striktní anaerobové (jsou podstatně citlivější ke kyslíku než denitrifikační nebo desulfurikační bakterie) •Jsou dvě skupiny metanogenních organizmů využívajících jako akceptor elektronů CO2 • metanogenní • homoacetogenní •Jako zdroj vodíku a elektronů nikdy nevyužívají cukry a aminokyseliny •Jako substrát slouží H2, nižší mastné kyseliny, primární alkoholy, izoalkoholy, …. Energetický metabolismus methanogeneze Typické substráty přeměňované na metan •I. Typ CO2 substrátů • CO2 (s elektrony z H2), některé alkoholy nebo pyruvát •II. Metyl substráty • metanol • metylamin CH3NH3+ • dimetylamin (CH3)2NH2+ • trimetylamin (CH3)3NH+ • metylmerkaptan CH3SH • dimetylsulfoxid (CH3)2S • •III. Acetotrofní substráty • acetát • pyruvát Energetický metabolismus methanogeneze Redukce CO2 plynným vodíkem •MF – metanofuran •MP – metanopterin •CoM – koenzym M •CoB – koenzym B Organizmus: Methanosarcina barkeri metan Redukce CO2 na formyl Redukce formylu na metylen a potom na metyl Redukce metylové skupiny na metan metylreduktáza, F430 komplex Protonový gradient Na+ pumpa ATP Elektrony pro redukci CO2 jsou brány z H2, ale v některých případech i z jednoduchých organických látek Energetický metabolismus methanogeneze Redukce CO2 - donor metanol •Corr – protein obsahující korrinoid (strukturou je podobný B12, s korinoidním kruhem –podobný porfirinovému), centrální atom Co •CODH – karbonmonooxid dehydrogenáza •CoM – koenzym M •MP – metanopterin •MF – metanofuran • • • metanogeneze biosyntéza Tvorba acetyl-koA pro biosyntézu Využití redukční síly k redukci metanolu na metan Tvorba redukční síly oxidací metanolu na CO2 Co dehydrogenáza Energetický metabolismus methanogeneze Redukce CO2 - donor acetát •Corr – protein obsahující korrinoid •CODH – karbonmonooxid dehydrogenáza •CoM – koenzym M • • Biosyntéza Metanogeneze CO dehydrogenáza Energetický metabolismus methanogeneze Tvorba energie u metanogenů metanofenazin ATP-áza vně uvnitř místo redukce MPHred CoB---CoM heterodisulfide reductase is an enzyme that catalyzes the chemical reaction coenzyme B + coenzyme M + methanophenazine N-{7-[(2-sulfoethyl)dithio]heptanoyl}- O3-phospho-L-threonine + dihydromethanophenazine Energetický metabolismus methanogeneze Přeměna pyruvátu na “vhodnější“ substrát pro metanogenezi •Pro metanogény je výhodnější přeměnit pyruvát na acetyl-koA nebo acetát (navíc timto krokem získají 1 mol ATP) •Další produkty této konverze, H2 a CO2, jsou dále zařazovány do jejich metabolizmu acetát pyruvát hydrogenáza Tvorba metanu u přežvýkavců Jícen Čepec kniha slez Tenké střevo Bachor Bachor Bachorová mikroflóra vyprodukuje za 24 hodin 200 – 600 l metanu vývod Tvorba metanu u přežvýkavců •Stechiometrie při fermentaci v rumenu •57,5 glukóza • 65 acetát + • 20 propionát + • 15 butyrát + • 60 CO2 + • 35 CH4 + • 25 H2O potrava Celulóza, škrob, cukry Celulolýza, amylolýza Fermentace Fermentace VFA – těkavé mastné kyseliny Obvyklý obsah VFA v bachoru: 60mM acetát, 20mM propionát, 10mM butyrát Některé bakterie v bachoru •Celulolytické • Butyrivibrio fibrisolvens acetát, formiát, laktát • Rumicoccus albus acetát, formiát, H2 • Clostridium lochheadii acetát, formiát, H2, CO2 •Amylolytické • Ruminobacter amylophilus formiát, acetát, sukcinát • Selenomonas ruminantium acetát, propionát, laktát • Succinomonas amylolytica acetát, propionát, sukcinát • Streptococcus bovis laktát •Pektolytické • Lachnospira multiparus acetát, formiát, laktát, H2, CO2 •Transformace laktátu • Selenomonas lactilytica acetát, sukcinát •Transformace sukcinátu • Schwartzia succinovorans propionát, CO2 •Metanogény • Methanobrevibacter ruminantium CH4 z H2+CO2 nebo formiátu • Methanobacterium mobile CH4 z H2+CO2 nebo formiátu • Organizmus Produkt metabolizmu Tvorba metanu u člověka •Metanogenní bakterie jsou u většiny lidí součástí normální mikroflóry tlustého střeva •Dominantním metanogenem u člověka je Methanobrevibacter smithii, který je G+ kokobacilus a pro redukci CO2 využívá H2 nebo formiát • Počet M.smithii u jedinců, kteří produkují metan se pohybuje v rozmezí 107- • 1010 CFU/g suché váhy feces. To představuje asi 0,001-12% celkového počtu živých buněk anaerobů. Počet buněk však velmi kolísá. •Mimo M.smithii je ve střevě přítomna i Methanosphaera stadtmaniae, ale v podstatně menším množství •Část vyprodukovaného metanu přechází do krve a je exkretován plícemi • Methanobrevibacter smithii Typický trofický řetězec v reaktoru Celulóza laktát+etanol celobióza+glukóza acetát H2 + CO2 CH4 + CO2 Metanogenní Inter metabolické Celulolytické Celulóza je přeměňována na metan a CO2 společným působením celulolytických, intermetabolických (hydrolytické, fermentační, acetogenní) a metanogenních bakterií. Při této fermentaci je asi 95% uložené energie uvolněno jako CH4. Biochemické reakce při výrobě bioplynu Fermentovatelný substrát (sacharidy, tuky, bílkoviny) hydrolýza hydrolytické bakterie jednoduché organické látky (momosacharidy, mastné kyseliny, aminokyseliny) H2 CO2 organické kyseliny alkoholy acetát tvorba kyselin fermentační bakterie acetogenní bakterie kyselina octová metan metanogenní bakterie tvorba kyseliny octové tvorba metanu Největší zdroje produkce metanu v přírodě •Rýžová pole 280 25 •Bažiny 130-260 45 •Přežvýkavci 101 20 •Řeky, jezera 1,25-25 3-10 •Oceány 5-8 4 •Ostatní 15-26 - Zdroj Vyprodukované množství (109 kg/rok) Podíl na atmosférickém metanu (%) http://whatsyourimpact.org/greenhouse-gases http://whatsyourimpact.org/greenhouse-gases/methane-sources Mechanizmus autotrofní fixace CO2 Reduktivní cyklus trikarbonových kyselin glukóza Organizmus: Thermoproteus neutrophilus pyruvát CO2 CO2 Mechanizmus autotrofní fixace CO2 pyruvát glukóza Corrin-E2 – Co obsahující enzym – podílí se na transportu metylu MFR - metanofuran MPT - metanopterin Základní tři domény Fylogenetický strom - Archaea Strom je odvozen na základě sekvence 16S ribozomální RNA (http:/rdp.cme.msu.edu) Přehled systému Archaea •Doména Archaea • •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Thermoproteales • Řád Desulfurococcales • Řád Sulfolobales •Kmen Euryarchaeota • Třída Methanobacteria • Řád Methanobacteriales • Třída Methanococci • Řád Methanococcales • Třída Methanomicrobia • Řád Methanomicrobiales • Řád Methanosarcinales • Třída Halobacteria • Řád Halobacteriales • Třída Thermoplasmata • Řád Thermoplasmatales • Třída Thermococci • Řád Thermococcales • Třída Archaeoglobi • Řád Archaeoglobales • Třída Methanopyri • Řád Methanopyrales •Kmen Korarchaeota Základní charakteristika tří základních kmenů Archaea • •Crenarcheota • - extrémně thermofilní Crenarcheota (chemolitotrofie,respirace sirných sloučenin) •Euryarcheota – - metanogenní Euryarcheota – - extrémně halofilní Euryarcheota – - thermofilní Euryarcheota (respirace síry a síranů) •Korarcheota • Crenarcheota •Zástupci Crenarchaeota jsou aerobní, fakultativně anaerobní nebo anaerobní •Metabolizmus je od chemoautotrofie po chemorganotrofii •Řada z nich využívá síru nebo železo pro tvorbu energie • za striktně aerobních podmínek •Některé druhy patří mezi primární producenty • organickou hmotu vytvářejí z CO2, jako jediného zdroje uhlíku •Pro většinu je zdrojem energie organická látka – aerobní nebo anaerobní respirace nebo kvašení •Všechny kultivované – přes 80oC •Detekovány ale i v chladných mořích i ledu (2-4oC, 0oC) • Initially, the Crenarchaeota were thought to be extremophiles (e.g., thermophilic (113 °C) and psychrophilic organisms) but recent studies have identified them as the most abundant archaea in the marine environment. Crenarcheota •Za anaerobních podmínek je možná i tzv. “S0/H2 autotrofie“ • 8H2 + So → 8 H2S • kdy se vytváří nadměrné množství H2S •Některé obsahují “solfapterin“, který je podobný koenzymu F420. Tento koenzym je typický u metanogenů •Zástupci řádu Sulfolobales obsahují specifický chinon “sulfolobus quinone – SQ“, který se vyskytuje u některých druhů v největším množství za aerobních podmínek a u jiných naopak za podmínek anaerobních • Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Thermoproteales • Čeleď Thermoproteaceae Rod Thermoproteus •Thermoproteus je G- anaerobní hypertermofilní tyčka. Optimální růst je při teplotě 70- 97oC a pH mezi 2,5-6,5. Dobře roste ve vodním prostředí s vysokým obsahem síry. Energii získává anearobní respirací (substrát – glukóza, aminokyseliny, alkoholy, organické kyseliny) • organická látka + S0 H2S + CO2 nebo •chemolitotrofně • H2+S0 H2S+ CO2 • 1μ Autotrofní organismus Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Thermoproteales • Čeleď Thermoproteaceae Rod Pyrobaculum •Buňky jsou ve tvaru tyček (téměř obdélníkové s pravoúhlými konci), někdy uspořádány do „V“. •Gramnegativní, neobsahují murein. •Pohyblivé pomocí bičíků (peritricha nebo amfitricha), fakultativně anaerobní nebo striktně anaerobní. •Hypertermofilní, optimální růstová teplota je kolem100°C v mírně alkalickém nebo neutrálním prostředí. •Energii získávají anaerobní respirací – akceptorem H+ a e je NO3, S0 nebo Fe3+, nebo chemolitotrofií v přítomnosti H2. •Některé kmeny jsou schopny aerobní respirace PyrobaculumImage by Reinhard Rachel, The Tree of Life Project.] Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Desulfurococcales • Čeleď Desulfurococcales Rod Thermosphaera •Kokovité buňky se vyskytují jednotlivě, po dvou, v krátkých řetízcích nebo ve shlucích (podobné hroznům z několika až 100 jedinců). •Jednotlivé buňky mají více než 8 bičíků. •Povrch buněk je obdán amorfní vrstvou. •Ve stacionární fázi se vytvářejí agregáty buněk, viditelné pouhým okem, které mají bičíky. •Jsou obligátně anaerobní, heterotrofní, hypertermofilní optimum 85°C; optimální pH v rozmezí 6,5 až 7,2. •Molekulární vodík nebo síra inhibují růst. •Izolovány v roce 1998 z pevninského horkého pramene (Yellowstone, USA). • Thermosphaera aggregans. Image from International Journal of Systematic Bacteriology (1998). Untitled-2 Povrch buňky a cytoplazma 1μm Obsidian's Pool in Yellowstone National Park, a habitat typical of Thermosphaera. Image from James W. Brown, North Carolina State University. Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Desulfurococcales • Čeleď Pyrodictiaceae Rod Pyrodictium •buňky nepravidelného diskovitého tvaru a vyskytující se jednotlivě, jejich průměr je vysoce variabilní. Vytváří struktury tvaru tubul, které tvoří síť spojující buňky s vysokým obsahem elementární síry. Buněčná stěna je tvořena glykoproteinem.Je striktní anaerob, roste při více než 100oC •chemolitotrofně • H2 + 2 Fe3+ 2 Fe2+ + 2 H+ • S0 + H2 H2S •chemoorganotrofně •org.látka + Fe3+ CO2 + Fe2+ • Pyrodictium's disks and cannulae. Image from Reinhardt Rachel, Tree of Life. Pyrodictium occultum. Image from Reinhardt Rachel, Site For Microbes. A Black Smoker hydrothermal vent, habitat typical of Pyrodictium. Image from NOAA. hlubinný černě kouřících průduch They have a unique cell structure involving a network of cannulae and flat, disk-shaped cells. Pyrodictium are found in the porous walls of deep-sea vents where the temperatures inside get as high as 300o-400oC, while the outside marine environment is typically 3oC. Pyrodictium is apparently able to adapt morphologically to this type of hot-cold habitat. Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Desulfurococcales • Čeleď Pyrodictiaceae Rod Pyrolobus •Buňky jsou gramnegativní, nepohyblivé, pravidelné až nepravidelně laločnaté koky uspořádané jednotlivě nebo v krátkých řetízcích. •Buněčná stěna je složena z proteinů. •Rostou v rozmezí 90 až 113°C při pH 4 – 6,5 a koncentraci 1 – 4% NaCl. •Fakultativně anaerobní, obligátně chemolitotrofní – oxidace H2je spojena s redukcí NO3- (na NH4+), S2O32- (na H2S) nebo při velmi nízkých koncentracích O2 (na H2O). •Izolovány jsou z hydrotermálních systémů v podmořských propastech. •Jsou extremně termorezistentní – P.fumarii vydrží autoklávování při 121oC po dobu 10 hod. (množil se), zabit až 130oC • • pyrolobus-fe1 pyrolobus-sec1 Doména Archaea •Kmen Crenarchaeota • Třída Thermoprotei • Řád Sulfolobales • Čeleď Sulfolobaceae • Rod Sulfolobus •Jsou gramnegativní, kokovité, nepravidelné (často laločnaté, příležitostně kulaté), obvykle se vyskytují jednotlivě, nepohyblivé nebo pohyblivé jedním či více bičíky. Optimální růstová teplota v rozmezí 65 až 85°C, při pH 1 až 5. Metabolizmus: •Chemoorganotrofní (aerobní respirace) • org.látka + O2 H2O + CO2 • (glykolýza, pentóza fosfátová dráha a TCA) •Chemolitotrofní • 2 S0 + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4 •Izolovány z kyselých kontinentálních solfatarových polí (Yellowstone - USA, Nové Mexiko, Itálie, Nový Zéland, Japonsko, Azorské ostrovy, Sumatra) Electron micrograph of Sulfolobus infected with Sulfolobus virus STSV1. Bar = 1 μm. Yellowstone National Park courtesy of Dr. Ken Stedman Buňka Sulfolobus infikovaná temperovaným bakteriofágem Kolonie Sulfolobus Yellowstone Soubor:Solfatara at Krafla Iceland.jpg Island Základní charakteristika tří základních kmenů Archaea • •Crenarcheota • - extrémně thermofilní Crenarcheota (chemolitotrofie,respirace sirných sloučenin) •Euryarcheota – - metanogenní Euryarcheota – - extrémně halofilní Euryarcheota – - thermofilní Euryarcheota (respirace síry a síranů) •Korarcheota • Euryarcheota •Euryarcheota jsou velmi morfologicky i fyziologicky odlišné •barví se grampozitivně nebo gramnegativně na základě přítomnosti či absenci pseudomureinu v buněčné stěně •u některých tříd se buněčná stěna skládá výhradně z proteinů nebo není přítomna vůbec (Thermoplasma) •v rámci kmene Euryarchaeota se nachází pět hlavních fyziologických skupin: –metanogenní archaea, –extrémě halofilní archaea, –archaea postrádající buněčnou stěnu, –sírany redukující archaea a –extrémě termofilní archaea metabolizující elementární síru Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanobacteria • Řád Methanobacteriale • Čeleď Methanobacteriaceae • Rod Methanobacterium •Buňky jsou grampozitivní zkroucené, zakřivené nebo rovné tyčky, nepohyblivé. Buněčná stěna je jednoduchá a složená z pseudomureinu. •Metabolizmus je striktně anaerobní - H2 a nebo formiát je využíván pro redukci CO2 při metanogenezi. •Buňky jsou mezofilní nebo termofilní (35-70oC). Optimální pH 6.0 - 8.5, ale jsou značně acidotolerantní (mohou růst i při pH menším než 5). •Izolovány mohou být z anaerobního prostředí - rýžových polí, sladkovodních sedimentů, zamokřených půd, bachoru přežvýkavců. •Využívají se i při výrobě bioplynu. meth1 M_bryantiiMOH_I_10_05 Inumofluorescence (4000x) Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanobacteria • Řád Methanobacteriale • Čeleď Methanobacteriaceae • Rod Methanobrevibacter •Buňky jsou grampozitivní oválné tyčky nebo koky. Vyskytují se obvykle po dvou. •Buněčná stěna je složena z pseudomureinu. Nepohyblivé, striktně anaerobní, teplotní rozmezí 30 až 45°C. •K redukci CO2 za tvorby metanu využívají H2 nebo formiát. •Vyskytují se v bachoru přežvýkavců (M. ruminantium), ve střevech termitů, v půdě rýžových polí. •M.smithi je u většiny lidí součástí normální mikroflóry tlustého střeva a představuje asi 0,001-12% celkového počtu živých buněk anaerobů; existují indicie, že se podílí na • trávení polysachridů – zablokování těchto genů vedlo u myší k obezitě. Methanobrevibacter Smithii Inumofluorescence (4000x) Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanobacteria • Řád Methanobacteriale • Čeleď Methanobacteriaceae • Rod Methanosphaera •Buňky jsou grampozitivní, sférické, po dvou, v tetrádách nebo shlucích, nepohyblivé. Buněčná stěna je složena z pseudomureinu.Jsou striktně anaerobní. Energii získávají anaerobní respirací redukcí CO2 H2 nebo využívají metanol (ale pouze v přítomnosti H2).Některé kmeny vyžadují aminokyseliny a vitaminy pro svůj růst. •Methanosphaera stadtmanae je běžnou součástí mikroflóry tlustého střeva jak člověka, tak i zvířat – produkce metanu. • Methanosphaera stadtmanaeImage by Sérgio Fernando Larizzatti and Vazoller, R. F., BIOTA/FAPESP (The Virtual Institute of Biodiversity). Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanococci • Řád Methanococcales • Čeleď Methanocaldococcaceae • Rod Methanocaldococcus •Buňky jsou gramnegativní, pravidelné až nepravidelné koky, většinou po dvou, pohyblivé pomocí dvou až tří svazků polárních bičíků. Buněčná stěna tvořena proteiny. •Hypertermofilní s teplotním optimem 80 až 85°C, obligátně anaerobní, pH optimum 5,2 až 7,6. •Obligátně metanogenní, k redukci CO2 slouží výhradně H2. •Vyskytují se v hlubinných mořských hydrotermálních průduších nebo sedimentech moří či oceánů •M.jannaschii může růst v prostředí o tlaku více než 200 atm. a při teplotě mezi 45-95 oC • první sekvenovaná archea Methanocaldococcus jannaschii courtesy of B. Boonyaratanakornkit & D.S. Clark, Chemical Engineering, G. Vrdoljak Electron Microscope Lab, University of California Berkeley. Methanocaldococcus jannaschii KOSmethanococcus File:White smoker.jpg White smokers 2600m Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanomicrobia • Řád Methanomicrobiales Čeleď Methanospirillaceae • Rod Methanospirillum •Buňky jsou gramnegativní stejnoměrně zakřivené tyčky často tvoří zvlněná vlákna a pohybují se pomocí polárního svazku bičíků. •Jsou mezofilní a striktně anaerobní. •Jsou fakultativně metanogenní – k redukci CO2 využívají H2 nebo formiát; v přítomnosti jiných organických látek vystupují jako chemoorganotrofové. •Vyskytují se v odpadních vodách nebo sedimentech Methanospirillum hungatei Enlarge Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanomicrobia • Řád Methanosarcinales • Čeleď Methanosarcinaceae • Rod Methanosarcina •Buňky jsou gram variabilní, tvořící nepravidelná sférická tělesa vyskytující se jednotlivě nebo v typických seskupeních buněk (pseudosarciny). •Jsou mezofilní (30-40oC)nebo termofilní (50-55oC). Některé druhy však mohou růst i při teplotě 1-35 oC. •Buněčná stěna je složena z proteinů a nad ní může být vrstva tvořená heteropolysacharidy. •Při metanogenezi je jako substrát využíván acetát, metanol, trimetylamin, dimetylamin nebo monometylamin. •Methanosarcina se vyskytuje jak v sedimentech sladkovodních, tak i mořských. Časté jsou i v zahradních půdách, odpadních jímkách, fekáliích, feces herbivorních živočichů, rumenu přežvýkavců nebo v bioreaktorech. NIJmethanosarcina Methanosarcina acetivorans C2A courtesy of Whitehead Institute Center of Genome Research. Methanosarcina acetivorans. Courtesy of the Courtesy of Everly Conway de Macario and Alberto J. L. Macarioenome. Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Halobacteria • Řád Halobacteriales • Čeleď Halobacteriaceae • Rod Halobacterium •Buňky jsou gramnegativní tyčkovitého tvaru, často pleomorfní. Jsou pohyblivé pomocí svazků polárních bičíků. •Některé kmeny mají plynné vakuoly. •Halobacterie využívají aminokyseliny za aerobních podmínek. •Extrémně halofilní (3,0 až 5,2 M NaCl), v teplotním rozmezí 20 až 55°C a při pH 5,5 až 8,5. •Obsahují pigment bakteriorhodopsin. •Mají silné proteolytické vlastnosti. •Nacházejí se v solných jezerech, podzemních solných ložiscích, případně i v solených potravinách. •Předpokládá se, že halobakterie mohou být jednou z forem života na Marsu. Halobact Halobacterium salinarum. Halobacterium salinum Halobacterium_2 Halobacterium ve slané laguně u San Quentin, Baja California Norte, Mexico. Červeně zbarvené sedimenty Enlarge Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Halobacteria • Řád Halobacteriales • Čeleď Halobacteriaceae • Rod Halococcus •Koky se barví se převážně gramnegativně, vyskytující se po dvou, v tetrádách, balíčcích nebo ve shlucích. Jsou nepohyblivé, striktně aerobní, chemoorganotrofní. •Některé jsou schopné fotosyntézy. •Extrémně halofilní, rostou v rozmezí 3,5 až 4,5 M NaCl (až 32% soli). Při teplotě 28 až 50°C a pH 6 až 9,5. •Mají specifickou chloridovou pumpu na vyrovnávání osmotického tlaku. Jejich výskyt je stejný jako u jiných halobakterií. •Mohou také způsobit zkažení nasolených potravin. •V některých případech proteiny obsahují pigmenty, které způsobují načervenalé zbarvení lokality (Mrtvé moře na podzim). Example of chlorine pump within a Halcoccus cell.Image from Raven and Johnson's Biology, Sixth Edition. Sediment tinted red by Halococcus. Image from Westminster College Biology Department. Salt evaporation ponds in San Francisco Bay; the bright colors are caused by the pigmentation found in proteins of Halococcus. Image from University of Miami Department of Biology. Model chloridové pumpy Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Thermoplasmata • Řád Thermoplasmatales • Čeleď Thermoplasmataceae • Rod Thermoplasma •Gram negativní buňky jsou pleomorfní ( od sférických struktur po vláknité). Při nižších teplotách je sférické, při vysokých nepravidelná vlákna).Buňky nemají buněčnou stěnu a jsou obklopeny jednoduchou trojvrstevnou membranou (lipopolysacharidy, glykoproteiny, větvené diglycerol tetraetery) a mohou být pohyblivé jedním bičíkem. DNA je stabilizována specifickým histonu podobným proteinem. Fakultativně aerobní, obligátně termoacidofilní; optimální teplota pro růst je 55 až 60°C a pH 1,0 až 2,0. Energii získávají anaerobní respirací (redukcí síranů). •T. acidophilum obsahuje 1,564,905 párů bazí; kóduje ale 68 proteinů, které se nenachází u jiných archeí. Vyskytují se na uhelných haldách, v horkých pramenech a v kyselých solfatarových polích Thermoplasma_2 "Pisciarelli Solfatara," a solfataric area in Naples, Italy, which harbors Thermoplasma. Huber and Stetter, "Thermoplasmatales." Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Thermoplasmata • Řád Thermoplasmatales • Čeleď Thermoplasmataceae • Rod Thermoplasma Rozšíření rodu Thermoplasma Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Thermococci • Řád Thermococcales • Čeleď Thermococcaceae • Rod Thermococcus •Koky se vyskytují jednotlivě nebo shlucích. Dělení buněk konstrikcí. Nepohyblivé nebo pohyblivé polárními svazky bičíků. •Růst při 60-100°C (min. 50oC), a při pH 5-9. •Jsou heterotrofní a využívají jako akceptor elementární síru (redukce na H2S). • striktně anaerobní •Výskyt - pobřežní a podmořské solfatary, hlubokomořské hydrotermální průduchy, terestrické termální prameny. •T. kodakaraensis byl izolován ze solfataru (102°C, pH 5.8) na Kodakara Island, Kagoshima, Japan. • Thermococcus chitonophagus Image by K.O.Stetter & R.Rachel, Univ.Regensburg. 0,5 μm konstrikce Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Thermococci • Řád Thermococcales • Čeleď Thermococcaceae • Rod Pyrococcus •Gramnegativní buňky jsou mírně nepravidelné koky, vyskytující se jednotlivě nebo ve dvojicích, s polárními bičíky. •Buňky jsou obklopeny silným obalem . •Striktně anaerobní, heterotrofní. •Optimální růstové podmínky: pH kolem 7, koncentrace solí - 2.5%, a teplota - 98oC. •Výskyt: mořské hydrotermální průduchy, sedimenty mořských solfatár s teplotou 102 až 103°C, horké vývěry (plyn i tekutina) v aktivních sopečných komínech. •P. abyssi byl izolován v podmořském průduchu, kde byl tlak 200 atm a extremně vysoká teplota. • Pyrococcus furiosus. Copyright K.O.Stetter and R.Rachel, Univ. Regensburg, Germany. Image of P. furiosus. Courtesy of Henry Aldrich. A deep sea vent where P. abyssi has been located. Image courtesy of the BBC.] Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Archeoglobi • Řád Archeoglobales • Čeleď Archeoglobaceae • Rod Archeoglobus •Buňky jsou gramnegativní, kokovité, jednotlivě nebo po dvou, monopolární bičíky. •Anaerobní a energii získávají anaerobní respirací – sulfát redukují až na H2S (je přítomen APS). •Optimální teplota kolem 100oC. •Vytvářejí biofilm, který je složen z polysacharidů, bílkovin a kovů. Biofilm chrání populaci proti kompetici, predaci, nebo působení těžkých kovů. •Vyskyt: anaerobní geotermální mořské sedimenty, hydrotermální systémy hlubokých moří, krátery podmořských vulkánů. •Předpokládá se využití biofilmu při detoxikaci prostředí s obsahem těžkých kovů, případně jejich kumulaci. •Způsobují korozi kovů (těžební věže – Fe2SO4) An Archaeoglobus veneficus cell. Platinum-shadowed; copyright K.O. Stetter and R. Rachel, Univ. Regensburg, Germany. Image of Archaeoglobus fulgidus courtesy of Nature magazine. Biofilm fibers courtesy of LaPaglia (1997) biofilm Doména Archaea •Kmen Euryarcheota • Třída Methanopyri • Řád Methanopyrales • Čeleď Methanopyraceae • Rod Methanopyrus •M.kandleri se barví gram pozitivně a buňky jsou dlouhé 2-14 μm a široké 0,5 μm. •Bičíky jsou umístěny polárně. •Cytoplazmatická membrána je jednoduchá (temperoidní lipidy). •Buňka obsahuje velké množství cyklického 2,3-difosfoglycerátu (v buňce 1 molární koncentrace), který udržuje stabilitu intracelulárních enzymů a DNA. •Metan je produkován z CO2 a H2 a při této autotrofii je generační doba kratší než 1 hodina při teplotě vyšší než 100oC. •Methanopyrus je hlavním producentem metanu v horkých oceánských sedimentech. Byl zjištěn ve 2000m kráteru a teplota byla více než 350oC. Běžně roste při teplotách vyšších než 110oC. Některé kmeny se množí i při 122oC! • • • Methanopyrus kandleri Copyright K.O.Stetter and R.Rachel, Univ. Regensburg, Germany Methanopyrus kandleri Copyright K.O.Stetter and R.Rachel, Univ. Regensburg, Germany Základní charakteristika tří základních kmenů Archaea •Euryarcheota • - metanogenní E. • - extrémně halofilní E. • - thermofilní E. (respirace síry a síranů) •Crenarcheota –- extrémně thermofilní (chemolithotrofie, respirace sirných sloučenin) •Korarcheota • Doména Archaea •Kmen Korarcheota byl popsán teprve nedávno (1996 Yellowstone). Známa je pouze sekvence DNA. Podrobnější informace o nich dosud nejsou •Hydrotermální prostředí – vysoké teploty •Organizmy jsou nekultivovatelné •Zařazení bylo provedeno jen na základě analýzy sekvencí genů pro rRNA . Organizmy byly izolovány z terestrických • horkých pramenů • • Korarchaeota Doména Archaea •Nový kmen Nanoarcheota •Nanoarcheum je rod velmi malých kokoidních buněk, které žijí jako parazité nebo jako symbionti. Jejich velikost je 0,4μm (1% E.coli). •Buěčná stěna – S vrstva •Buňky Nanoarcheum se replikují pouze pokud jsou připojeny na povrch hostitele Igneococcus (čeleď Desulfurococcaceae) – obligatní symbiont. Buňky jsou jednotlivě, ve dvojicích nebo připojené na Igneococcus (více než 10).Vyskytují se v hydrotermálních systémech hlubokých moří nebo terestrických horkých pramenech (90oC) •16S rRNA – zcela odlišné od ostatních Archaea •Genom je velký pouze 0,49Mbp a je to nejmenší dosud známý genom –Žádné geny pro metabolické funkce ani katabolismus –Některé geny pro ATPazu –Geny pro replikaci DNA – transkripci i translaci Ignicoccus Nanoarcheum File:Urzwerg.jpg Biotechnologický potenciál Archaea •Odpadové hospodářství (společenstva s Eubacteria) •Proteiny S-vrstev (ultrafiltrace, nanotechnologie) •Enzymy thermofilů (hydrolýza sacharidů, proteinů, restrikční endonukleázy ) •Modely pro testování kancerogenity •Biosensory, mikroelektronika (bakteriorodopsin, membrány halobakterií) •Produkce plastů na základě zásobních polymerů •Biologické loužení rud •