Mikrobiologia - ebook

Przedmowa

Podręcznik ten został napisany przez zespół pracowników Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego z myślą o studentach, którzy po raz pierwszy stykają się z mikrobiologią. Nie ma dla nich na rynku wydawniczym pozycji w języku polskim, z której mogliby czerpać aktualną wiedzę na temat drobnoustrojów prokariotycznych, czyli bakterii i archeonów. Istnieje wprawdzie Biologia molekularna bakterii, napisana również przez pracowników naszego Wydziału, ale, jak wskazuje tytuł, przedstawia ona zagadnienia dotyczące jedynie bakterii i tylko w ujęciu molekularnym. Jest zatem podręcznikiem przeznaczonym dla czytelników, którzy specjalizują się w mikrobiologii.

Przez wiele lat jedną z podstawowych lektur studentów biologii był podręcznik Życie bakterii autorstwa Profesora Władysława J.H. Kunickiego-Goldfingera. Dzieło to doczekało się kilku wznowień, a w 2001 roku, 6 lat po śmierci Profesora, Jego uczniowie i wieloletni współpracownicy przygotowali ostatnie wydanie tej książki, uzupełnione i rozwinięte o nowe wątki tematyczne.

Od tego czasu w mikrobiologii wydarzyło się bardzo wiele. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych metod i aparatury niedostępnych w przeszłości ta dziedzina nauki rozwija się niezwykle dynamicznie. Tylko w ciągu ostatnich pięciu lat opisano ponad 3000 nowych gatunków bakterii i archeonów. Co więcej, wciąż powstają nowe czasopisma naukowe poświęcone tym drobnoustrojom. Oblicze mikrobiologii zmieniają w szczególności nowoczesne techniki molekularne, w tym te o wymiarze „omicznym”, których zastosowanie w badaniach przynosi wiele informacji na temat struktury i funkcji materiału genetycznego prokariotów, a także przebiegu różnych procesów metabolicznych i fizjologicznych – zarówno na poziomie pojedynczej komórki, jak i całych zespołów mikroorganizmów bytujących w środowisku naturalnym. Chociaż zgromadzono już dość obszerną wiedzę na temat prokariotów, wciąż jednak zaskakują nas coraz to nowe odkrycia, odsłaniające ich nowe właściwości i potencjał biotechnologiczny.

W naszej książce przedstawiliśmy – mamy nadzieję, że w przystępnej formie – różne aspekty mikrobiologii. Jej pierwszy rozdział zawiera rys historyczny (uzupełniony w Addendum 1) oraz przedstawia podział świata żywego na trzy domeny – Archaea, Bacteria i Eukarya – zaproponowany przez Carla Woesego. Omówiono w nim też systematykę bakterii i archeonów oraz zasady ich nazewnictwa. W rozdziałach 2 i 3 opisano budowę, fizjologię i metabolizm obu grup prokariotów, kładąc szczególny nacisk na ich cechy unikatowe, w rozdziale 4 zaś – wzrost bakterii i ich cykle życiowe. Rozdział 5 obejmuje zagadnienia związane z funkcjonowaniem prokariotów w różnych środowiskach, ich rolą w biosferze oraz wpływem na nieożywione elementy ekosystemów.

W rozdziałach 6 i 7 scharakteryzowano organizację genomów prokariotycznych, replikację wchodzących w ich skład replikonów, procesy transkrypcji i translacji oraz ich regulację na różnych poziomach. Duży nacisk położono na procesy i zjawiska wpływające na zmienność prokariotów i przyspieszające tempo ich ewolucji (mutacje, rekombinacje i horyzontalny transfer genów), podkreślając jednocześnie znaczenie i rolę ruchomych elementów genetycznych.

Cały rozdział 8 poświęcono najliczniejszym jednostkom biologicznym naszej planety, czyli wirusom oraz innym niekomórkowym czynnikom infekcyjnym – wiroidom, prionom i satelitom. Opisano budowę wirionów i genomów wirusowych, mechanizmy ich rozprzestrzeniania, przebieg cykli infekcyjnych oraz ich znaczenie biologiczne. Najwięcej uwagi poświęcono bakteriofagom. W podręczniku opisano również praktyczne zastosowania wirusów, a także bakterii i archeonów – odpowiednio w rozdziałach 8 i 9. W tym ostatnim przedstawiono sposoby wykorzystania drobnoustrojów prokariotycznych w wybranych gałęziach przemysłu i w ochronie środowiska. Omówiono technologie: bioremediacji gruntów i wód zanieczyszczonych metalami ciężkimi oraz związkami organicznymi, oczyszczania ścieków metodami biologicznymi oraz zagospodarowania odpadów (np. produkcja biogazu i bioetanolu, mikrobiologiczne ogniwa paliwowe).

Podręcznik kończy przegląd metod stosowanych w mikrobiologii (rozdział 10). Są to zarówno metody hodowlane (podłoża, sterylizacja, techniki posiewu, elementy pracy z bakteriofagami), jak i mikroskopowe – mikroskopia optyczna, w tym mikroskopy fluorescencyjne i konfokalne, oraz elektronowa. Ostatnia część rozdziału 10 zawiera krótką charakterystykę metod molekularnych stosowanych w badaniach genomicznych i metagenomicznych. Dzięki nim poznajemy coraz większą liczbę bakterii i archeonów, których nie potrafimy hodować w laboratorium, a które, jak szacują mikrobiolodzy, przeważają w środowisku.

Mamy nadzieję, że książka ta spotka się w zainteresowaniem studentów i będzie dla nich nie tylko źródłem wiedzy akademickiej oraz punktem wyjścia do dalszego jej zgłębiania, lecz także inspiracją pomocną w dokonywaniu przyszłych wyborów naukowych. Znakomicie ujął to Profesor Kunicki-Goldfinger we wprowadzeniu do pierwszego wydania Życia bakterii, pisząc: „Chciałbym, aby ta książka zamiast stać się podręcznikiem do «uczenia się do egzaminu» była podstawą dla studentów w realizacji celu, dla którego przecież przyszli na uniwersytet, w studiowaniu. W studiowaniu pojmowanym jako zrozumienie istotnych i najważniejszych zjawisk, wykrycie powiązań pomiędzy nimi, dostrzeżenie znaczenia wiedzy dla kształtowania poglądu na świat i na społeczeństwo.”

Chcielibyśmy podziękować wielu osobom za ich wkład włożony w powstanie tego podręcznika. Zawsze mogliśmy liczyć na pomoc ze strony (w kolejności alfabetycznej): Michała Baja, Jakuba Czarneckiego, Nadziei Dreli, Katarzyny Jagusztyn-Krynickiej, Anny Karnkowskiej, Bartosza Kiersztyna, Doroty Korsak, Piotra Kozłowskiego, Renaty Matlakowskiej, Andrzeja Piekarowicza, Adrianny Raczkowskiej, Krzysztofa Skowronka, Danuty Soleckiej, Krzysztofa Spalika, Magdaleny Szuplewskiej, Agnieszki Wyszyńskiej, a także wielu niewymienionych z imienia i nazwiska pracowników Wydziału Biologii UW, którzy służyli nam swoją wiedzą. Dziękujemy także doktorantom Zakładu Genetyki Bakterii Wydziału Biologii – Corze Chmielowskiej, Robertowi Laskowi, Aleksandrze Pawłot i Dorocie Sentkowskiej za wszystkie krytyczne uwagi dotyczące manuskryptu.

Jesteśmy wdzięczni za materiały ilustracyjne podarowane nam przez: Patricka Forterre’a, Tomasza Jagielskiego, Iwonę Jasser, Dietera Jendrosska, Nataliię Khomutovską, Bartosza Kiersztyna, Agnieszkę Kwiatek i Pawła Bącala, Iris Maldener, Renatę Matlakowską, Małgorzatę Sandzewicz, Annę Skorupską, Uwe B. Sleytera, Jerzego Wielbo i Joannę Galus, Luke’a R. Thompsona i Nicki Watson oraz Louie Wurcha i Mirceę Podara, a także za ryciny wykonane przez: Amelię Baj (rozdział 2), Weronikę Bureć-Drewniak (rozdział 9), Przemysława Decewicza (rozdział 6), Mikołaja Dziurzyńskiego (rozdział 8) i Marię Puzynę (rozdział 3).

Mając na uwadze ewentualne następne wydanie tego podręcznika, prosimy Czytelników o nadsyłanie uwag krytycznych na jego temat do redaktora naukowego ([email protected]).

Warszawa, 15.04.2018

Jadwiga Baj, Dariusz Bartosik,
Łukasz Drewniak, Łukasz Dziewit,
Bohdan Paterczyk, Monika RadlińskaNajważniejsze stosowane skróty

Abi (ang. abortive infection) infekcja abortywna

AOB (ang. ammonia-oxidizing bacteria) bakterie utleniające amoniak

ATP (ang. adenosine triphosphate) adenozynotrifosforan

ATPaza adenozynotrifosfataza

attB (ang. attachment bacteria) attachment bakterii

attC (ang. attachment of cassette) attachment kasety genowej integronu

attI (ang. attachment of integron) attachment integronu

attP (ang. attachment phage) attachment faga

BCl bakteriochlorofil

BCR (ang. biochemical reactor) reaktor biochemiczny

BHR (ang. broad host range) szeroki zakres gospodarzy, np. plazmidu

C1 związki niezawierające wiązań węgiel–węgiel

cAMP (ang. cyclic adenosine monophosphate) cykliczny adenozynomonofosforan

Can. Candidatus

CBB cykl Calvina–Bensona–Basshama

cDNA (ang. complementary DNA) – komplementarny DNA

Chl chlorofil

cyt cytochrom

DAPI ang. 4′,6-diamidino-2-phenylindole

DNA (ang. deoxyribonucleic acid) kwas deoksyrybonukleinowy

DNaza deoksyrybonukleaza

DOM (ang. dissolved organic matter) rozpuszczona materia organiczna

DR (ang. direct repeats) proste powtórzenia sekwencji

ds (ang. double stranded) dwuniciowy

dsRNA (ang. double stranded RNA) dwuniciowy RNA

DTR (ang. DNA transfer) inicjacja transferu DNA

ED szlak Entnera–Doudoroffa

EMP szlak Embdena–Meyerhofa–Parnasa

EPS (ang. exopolysaccharide) polisacharyd zewnątrzkomórkowy

ETC (ang. electron transfer chain) łańcuch transportu elektronów

FAD (ang. flavin adenine dinucleotide) dinukleotyd flawinoadeninowy, forma utleniona

FADH₂ dinukleotyd flawinoadeninowy, forma zredukowana

Fd ferredoksyna

FISH (ang. fluorescent in situ hybridization) hybrydyzacja fluorescencyjna in situ

FMN (ang. flavin mononucleotide) mononukleotyd flawinowy, forma utleniona

GTA ang. gene transfer agent

GTP (ang. guanosine triphosphate) guanozynotrifosforan

GTPaza guanozynotrifosfataza

GV (ang. gas vesicle) pęcherzyk gazowy

HGT (ang. horizontal gene transfer) horyzontalny transfer genów

HMP (ang. hexose monophosphate pathway) szlak heksozomonofosforanowy

ICE (ang. integrative and conjugative element) koniugacyjny element integrujący z DNA

ICM (ang. intracytoplasmic membrane) błona wewnątrzcytoplazmatyczna

Ig immunoglobulina

IL interleukina

IME (ang. integrative mobilizable element) mobilizowalny element integrujący z DNA

Inc (ang. incompatibility) niezgodność, np. plazmidów

IR (ang. inverted repeats) odwrócone powtórzenia sekwencji

IS (ang. insertion sequence) sekwencja insercyjna

knt kilonukleotydy

kpz kilopary zasad

LOS lipooligosacharyd

LPS lipopolisacharyd

LTA (ang. lipoteichoic acid) kwas lipotejchojowy

MFC (ang. microbial fuel cell) mikrobiologiczne ogniwo paliwowe

MGE (ang. mobile genetic element) ruchomy element genetyczny

MITE (ang. miniature inverted-repeat transposable element) miniaturowy nieautonomiczny element transpozycyjny

MNA (ang. monitored natural attenuation) naturalna atenuacja monitorowana

MPF (ang. mating pair formation) tworzenie par komórek koniugujących

Mpz megapary zasad

MRI (ang. multiresistant integron) integron wielooporności

MRS (ang. multimer resolution system) system rozdziału form oligomerycznych plazmidów

MTaza (ang. methyltransferase) metylotransferaza

MV (ang. membrane vesicle) pęcherzyk błonowy

NAD⁺ (ang. nicotinamide-adenine dinucleotide) dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, forma utleniona

NADH dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, forma zredukowana

NADP⁺ (ang. nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate) fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, forma utleniona

NADPH fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, forma zredukowana

NCLDV (ang. nucleocytoplasmic large DNA viruses) wirusy nukleocytoplazmatyczne

ncRNA (ang. non-coding RNA) niekodujący RNA

NHR (ang. narrow host range) wąski zakres gospodarzy, np. plazmidu

NOB (ang. nitrite-oxidizing bacteria) bakterie utleniające azotyny

nt nukleotydy

O-IMV ang. outer-inner membrane vesicle

OM (ang. outer membrane) błona zewnętrzna

OMP (ang. outer membrane protein) białko błony zewnętrznej

OMV (ang. outer membrane vesicle) pęcherzyk błonowy

oriT (ang. origin of transfer) origin transferu koniugacyjnego

oriV (ang. origin of vegetative replication) origin wegetatywnej replikacji

PAR (ang. partitioning system) system aktywnego rozdziału plazmidów

PBP (ang. penicillin-binding protein) białko wiążące penicylinę

PG peptydoglikan

PHA (ang. poly-β-hydroxyalcanoate) poli-β-hydroksyalkanian

PHB (ang. poly-β-hydroxybutyrate) poli-β-hydroksymaślan

P_(i) nieorganiczny ortofosforan

PMF (ang. protonmotive force) siła protonomotoryczna

POM (ang. particulate organic matter) upostaciowana materia organiczna

PP_(i) nieorganiczny pirofosforan

PQ (ang. plastoquinone) plastochinon

PQH₂ (ang. plastoquinol) plastochinol

PS I (ang. photosystem I) fotosystem I

PS II (ang. photosystem II) fotosystem II

PTS (ang. phosphotransferase system) system fosfotransferazy

pz pary zasad

Q (ang. quinone) chinon

QH₂ (ang. quinol) chinol

QS (ang. quorum sensing) wyczuwanie liczebności

rbs (ang. ribosome binding site) miejsce wiązania rybosomów (sekwencja Shine–Dalgarno)

RCR (ang. rolling circle replication) replikacja według modelu toczącego się koła

RdRp (ang. RNA-dependent ribonucleic acid polymerase) polimeraza RNA zależna od RNA

REaza (ang. restriction endonuclease) endonukleaza restrykcyjna

RF (ang. replication form) forma replikacyjna

RNA (ang. ribonucleic acid) kwas rybonukleinowy

RNaza rybonukleaza

ROS (ang. reactive oxygen species) reaktywne formy tlenu

rRNA rybosomowy RNA

rTCA (ang. reductive tricarboxylic acid cycle) redukcyjny cykl kwasów trikarboksylowych

SEM (ang. scanning electron microscope) skaningowy mikroskop elektronowy

SI (ang. superintegron) superintegron

sp. (łac. species) nieokreślony gatunek danego rodzaju

spp. różne (lub wszystkie) gatunki danego rodzaju

SRB (ang. sulfate reducing bacteria) bakterie redukujące siarczany

sRNA (ang. small RNA) mały RNA

ss (ang. single stranded) jednoniciowy

SSMP (ang. self-splicing molecular parasites) samowycinające się pasożyty molekularne

ssRNA (ang. single stranded RNA) jednoniciowy RNA

sv. (ang. serovar) serowar, serotyp, odmiana serologiczna

T4SS (ang. type 4 secretion system) system sekrecji typu 4

TA (ang. teichoic acids) kwasy tejchojowe

T-A (ang. toxin-antitoxin) system toksyna–antytoksyna

TCA (ang. tricarboxylic acid cycle) cykl kwasów trikarboksylowych

TE (ang. transposable element) element transpozycyjny

TEM (ang. transmission electron microscope) transmisyjny mikroskop elektronowy

TFP (ang. type four pili) pilusy typu IV

tmRNA ang. transfer/messenger RNA

Tn transpozon

tRNA (ang. transfer ribonucleic acid) transportujący RNA

TUA (ang. teichuronic acid) kwas tejchuronowy

WTA (ang. wall teichoic acid) kwas tejchojowy2Budowa i funkcjonowanie komórek prokariotycznych

Jadwiga Baj

W rozdziale omówiono wielkość i morfologię komórek prokariotycznych, a także ich budowę wewnętrzną – nukleoid, materiały zapasowe, mikroprzedziały (anamoksosomy, enterosomy, magnetosomy, pęcherzyki gazowe) i struktury leżące na zewnątrz ściany komórkowej – otoczki, warstwę S, pochewki, pilusy, rzęski, archela i inne. Opisano fundamentalne różnice w budowie błony komórkowej przedstawicieli obu domen prokariotycznych. Scharakteryzowano ściany komórkowe bakterii gramujemnych i gramdodatnich oraz osłony archeonów. Opisano także transport związków przez błonę komórkową, sekrecję białek i sposoby poruszania się prokariotów.

2.1. Wielkość i morfologia komórek prokariotycznych oraz tworzone przez nie układy

Mikroorganizmy cechują tak małe rozmiary, że nie są widoczne bez użycia mikroskopu. Wielkość bakterii i archeonów mierzymy w mikrometrach (1 μm = 10^(–3) mm), wirusów zaś zwykle w nanometrach (1 nm = 10^(–6) mm). Typowe prokarioty mają około 1 μm średnicy, np. komórki Bacillus megaterium (laseczka olbrzymia) w zależności od szczepu mogą mieć 1,2–1,5 μm średnicy i 2,0–5,5 μm długości, zaś kuliste Streptococcus pneumoniae (dwoinka zapalenia płuc) od 0,5 do 1,25 μm średnicy.

Istnieją jednak bakterie znacznie mniejsze, np. odkryta w 2002 r. oceaniczna bakteria pelagiczna „Candidatus Pelagibacter ubique” liczy 0,12–0,2 μm średnicy i 0,37–0,89 μm długości. Niektórzy badacze zaliczają ją do grupy ultramikrobakterii, czyli bakterii, których komórki mają objętość mniejszą niż 0,1 μm³. Objętość komórek niektórych archeonów, np. „Candidatus Nanoarchaeum equitans” (ryc. 5.18), także nie przekracza 0,1 μm³. Znajdowanych jest coraz więcej prokariotów o niezwykle małych rozmiarach, ale większości z nich uczeni nie potrafią hodować. W roku 2015 w prestiżowym czasopiśmie Science opisano bakterie tak małe, że nie były zatrzymywane przez filtry bakteriologiczne o średnicy porów 0,2 μm, które stosuje się do jałowienia roztworów. Dzięki badaniom metagenomicznym wykazano, że te mikroorganizmy należą do nieznanych dotychczas typów taksonomicznych, a połowa ich genów nie znajduje odpowiedników w bazach danych.

Niektóre bakterie mają znacznie większe rozmiary niż przeciętne prokarioty. Na przykład krętek Spirochaeta plicatilis może osiągać do 250 μm długości, ale średnica jego komórek wynosi 0,75 μm, nie widać ich zatem bez użycia mikroskopu. Znane są również dwie bakterie naprawdę gigantyczne. Jedna z nich to Epulopiscium fishelsoni, żyjąca w jelicie ryby zwanej cyrulikiem, która występuje w Morzu Czerwonym. Niektóre osobniki osiągają wielkość 80 × 600 μm. Kiedy odkryto ten mikroorganizm w 1985 r., sądzono, że jest pierwotniakiem i dopiero w roku 1993 udowodniono, że to bakteria należąca do typu Firmicutes i blisko spokrewniona z beztlenowymi laseczkami. Drugim morskim „olbrzymem” jest odkryta w 1997 r. Thiomargarita namibiensis, której komórki liczą od 100 do 750 μm średnicy, można je zatem zobaczyć bez użycia mikroskopu. Największą znaną bakterią słodkowodną jest Achromatium oxaliferum (15 × 125 μm). Co ciekawe, nie znamy archeonów, których komórki miałyby średnicę większą od kilku μm.

Większość prokariotów ma kształt kuli, walca bądź skręconego walca (ryc. 2.1). Bakterie o kształcie kulistym nazywane są ziarniakami lub kokami (łac. i ang. l.p. coccus, l.m. cocci). Komórki niektórych ziarniaków nie rozdzielają się po podziale i tworzą charakterystyczne układy, np. dwoinki (Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae), łańcuszki (Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus), tetrady (np. Micococcus) i pakiety, złożone z większej niż 4 liczby komórek (np. Sarcina) bądź nieregularne skupiska – grona (np. Staphylococcus) (ryc. 2.1A). Te charakterystyczne układy komórek są wykorzystywane przy identyfikacji bakterii.

Bakterie o kształcie walca w polskiej literaturze fachowej nazywa się pałeczkami lub laseczkami w zależności od rodzaju bakterii (ryc. 2.1B). Dawniej pałeczkami nazywano bakterie gramujemne, nie tworzące endospor, np. bakterie z rodziny Enterobacteriaceae (pałeczki jelitowe, jedną z nich jest Escherichia coli). Nazwę laseczka stosowano dla gramdodatnich bakterii z rodzaju Bacillus i Clostridium, które są zdolne do wytwarzania endospor. W tej książce termin laseczka będzie stosowany dla gramdodatnich bakterii z typu Firmicutes, zdolnych do tworzenia endospor (nie wszystkie bakterie z tego typu wytwarzają te formy przetrwalnikowe), zaś termin pałeczka dla wszystkich innych bakterii o kształcie walca, niezależnie od tego, jak barwią się metodą Grama. Laseczki, podobnie jak ziarniaki, mogą tworzyć po podziale łańcuszki. W literaturze anglojęzycznej nie ma takiego rozróżnienia. Wszystkie bakterie o kształcie walca określa się słowem rod.

Ryc. 2.1. Podstawowe kształty komórek prokariotycznych i tworzone przez nie układy. Narysowane nie w skali

Istnieją prokarioty, których komórki wyglądają jak wygięty lub skręcony śrubowo walec. Bakterie wygięte, ale nieskręcone śrubowo, nazywa się przecinkowcami (np. przecinkowiec cholery – Vibrio cholerae). Komórki skręcone mają śrubowce, które są sztywne (np. Magnetospirillum sp., Proteobacteria) oraz krętki (ryc. 2.1C), które są giętkie i należą do typu Spirochaetes (np. krętek blady – Treponema pallidum, Borrelia burgdorferi).

Istnieją mikroorganizmy prokariotyczne o kształtach bardziej wymyślnych. Na przykład bakterie z rodzaju Stella mają formę gwiazdy (na co wskazuje ich nazwa), a o archeonach z rodzaju Haloarcula mówiło się po ich wykryciu, że są „kwadratowe”, gdyż grubość ich komórek jest bardzo mała (0,25 μm) w stosunku do innych wymiarów (2–4 μm). Jednak znakomita większość archeonów ma kształt kuli, walca bądź skręconego walca i pod mikroskopem trudno odróżnić je od bakterii.

Niektóre bakterie rosną w postaci nitkowatej. Należą do nich np. sinice z rodzaju Oscillatoria (ryc. 2.1D), tworzące nici złożone z wielu komórek (ang. trichome), które są w ściślejszym kontakcie niż np. komórki paciorkowców w łańcuszkach. Promieniowce rosną w postaci rozgałęzionych filamentów, zwanych strzępkami (ang. hyphae), podobnie jak u grzybów (ryc. 2.1D). Ich średnica nie przekracza jednak 1 μm, podczas gdy strzępki grzybów są zwykle szersze (ponad 2–3 μm) i znacznie dłuższe.

Morfologia niektórych bakterii może się zmieniać w zależności od fazy jej cyklu życiowego, np. u Caulobacter spp. występują komórki osiadłe, zawierające cienką łodyżkę (ang. stalk), dzięki której bakterie przyczepiają się do podłoża stałego, i komórki pływające zaopatrzone w rzęskę.

Niektóre bakterie są pleomorficzne, co oznacza, że nie mają jednego, ściśle określonego kształtu. Przykładem są maczugowce (rodzaj Corynebacterium), choć większość ich komórek ma kształt maczugi, na co wskazuje zarówno ich polska, jak i łacińska nazwa. Szczególnie silnym pleomorfizmem charakteryzują się mikoplazmy pozbawione ściany komórkowej.

2.2. Ogólna budowa komórki prokariotycznej

Każda komórka prokariotyczna zawiera otoczoną błoną komórkową cytoplazmę, w której znajduje się nieobłoniony chromosom stanowiący materiał genetyczny i rybosomy (ryc. 2.2). W zależności od badanego prokariota w cytoplazmie mogą też być zawarte:

- różnego rodzaju ciała inkluzyjne, które stanowią materiały zapasowe komórki (np. zapasy węgla czy fosforu),
- pozachromosomowe elementy DNA, zwane plazmidami,
- inne wyspecjalizowane struktury, niekiedy w postaci wyodrębnionych przedziałów komórkowych, różne w zależności od właściwości danego prokariota.

Znakomita większość prokariotów wyposażona jest także w ścianę komórkową, nadającą im kształt. Bakterie ze względu na typ budowy ściany podzielono na dwie grupy – gramujemne mające cienką warstwę peptydoglikanu pokrytą błoną zewnętrzną i gramdodatnie z grubą warstwą peptydoglikanu i bez dodatkowej błony (ryc. 2.2). Archeony mają ściany o zróżnicowanej budowie. Na zewnątrz ściany może występować tzw. warstwa S, która u pewnych archeonów pełni funkcję ściany. Najbardziej zewnętrzną warstwę, otaczającą komórkę, stanowią otoczki, mające przede wszystkim funkcję ochronną. Komórki niektórych wodnych prokariotów są liniowo ułożone we wspólnych pochewkach (ang. sheats), które je chronią i przyczepiają do podłoża.

Ryc. 2.2. Schemat budowy komórki bakteryjnej. IM – ang. inner membrane; OM – ang. outer membrane

Prokarioty mogą też być wyposażone w różnego rodzaju nitkowate białkowe struktury, odchodzące od powierzchni komórek ku środowisku, do których u bakterii zaliczamy fimbrie/pilusy i rzęski (ryc. 2.2), u archeonów fimbrie, archela, kanule i hamusy, uczestniczące w poruszaniu się prokariotów i w ich przyleganiu do różnych powierzchni biotycznych i abiotycznych.

2.3. Cytoplazma, nukleoid i rybosomy

Cytoplazma jest wodnym roztworem zawierającym związki odżywcze, jony, białka (w tym enzymy uczestniczące w reakcjach metabolicznych), produkty przemiany materii, mRNA, tRNA i inne związki, w zależności od rodzaju mikroorganizmu. Nie ma ona w komórkach prokariotycznych żadnej widocznej w mikroskopie elektronowym ultrastruktury. Część płynna cytoplazmy zwana jest cytozolem. Ponieważ stężenie białek w cytozolu jest bardzo duże, ma on lepką konsystencję.

Bakterie i archeony są haploidalne. Genom większości z nich składa się z jednego replikonu, zwanego chromosomem, będącego zwykle kolistą cząsteczką dwuniciowego DNA (jednak u niektórych prokariotów jest on liniowy), niewydzielonego żadną błoną. Transkrypcja i translacja zachodzą zatem w tym samym przedziale komórki, czyli w cytoplazmie. Obserwacja, że chromosom niektórych bakterii z typu Planctomycetes jest zawarty w przedziale, wydzielonym od reszty cytoplazmy błoną, okazała się nieprawdziwa.

Wiele bakterii i archeonów zawiera też w cytoplazmie dodatkowe replikony, zwane chromidami i plazmidami. Chromosomowy DNA jest zasocjowany z pewnymi typami białek, które biorą udział w jego zwijaniu i przyczepieniu do błony komórkowej. Całość tworzy zwartą, bardzo silnie zwiniętą fibrylarną strukturę zwaną nukleoidem (odpowiednik eukariotycznego jądra), która jest dobrze widoczna w mikroskopie elektronowym (ryc. 2.3). Nukleoid składa się z chromosomu i różnych białek niezbędnych do transkrypcji, replikacji i procesowania DNA. Bakteria może mieć więcej niż jedną kopię chromosomu m.in. w zależności od warunków wzrostu.

W cytoplazmie prokariotów występują liczne rybosomy, które pełnią bardzo ważną funkcję w translacji, czyli przełożeniu informacji zawartej w mRNA na białka. Rybosomy prokariotyczne i eukariotyczne są zbudowane w nieco odmienny sposób. Różnią się między innymi wielkością. Wielkość rybosomów (a także wchodzących w ich skład cząsteczek RNA) określa się w jednostkach zwanych swedbergami (S), które są miarą współczynnika sedymentacji. Wartość tego współczynnika wskazuje na zachowanie się makrocząsteczek w czasie wirowania w ultrawirówce. Wartość współczynnika sedymentacji dla małych białek wynosi kilka swedbergów, zaś dla komórek bakteryjnych kilka tysięcy. Dla rybosomów prokariotycznych wynosi ona 70 S, eukariotycznych zaś – 80 S.

Ryc. 2.3. Bakteryjny nukleoid. Mikrografia elektronowa Ralstonia eutropha H16 (TEM). Krótka strzałka pokazuje granicę między cytoplazmą i zdenaturownym nukleoidem. Długa strzałka pokazuje granulę PHB. Skala to 0,2 μm (dzięki uprzejmości: Dieter Jendrossek, zdjęcie z artykułu Wahl i wsp., BMC Microbiology 2012, 12: 262)

Rybosomy prokariotyczne są małymi zaokrąglonymi strukturami, o średnicy 0,02 μm. Składają się z dwóch podjednostek: dużej (50S) i małej (30S), zbudowanych z rybosomowego RNA (rRNA) i białek. Obie części rybosomu są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi oraz oddziaływaniami jonowymi i hydrofobowymi. Ważną rolę odgrywają w tym jony magnezu. Rybosomom i translacji poświęcony jest podrozdział 6.4.2.

W cytoplazmie mogą też być zawarte materiały zapasowe, mikroprzedziały komórkowe, wpuklenia błony cytoplazmatycznej, zwane błonami wewnątrzcytoplazmatycznymi, oraz inne struktury, które zostaną opisane w kolejnych podrozdziałach.

2.4. Ziarnistości stanowiące materiały zapasowe

W odpowiednich warunkach środowiska bakterie odkładają wewnątrz komórki w postaci ziarnistości materiały zapasowe, będące w większości polimerami pewnych związków. Występują one w komórce w postaci osmotycznie nieczynnej. Mogą one stanowić niekiedy znaczącą część suchej masy komórki i są widoczne pod mikroskopem. Należą do nich:

- polimery cukrów, np. glikogen, granuloza,
- polimery kwasów hydroksyalkanowych,
- cyjanoficyna (polipeptyd syntetyzowany bez udziału rybosomów),
- lipidy,
- polifosforany,
- siarka pierwiastkowa.

Często są one widzialne w mikroskopie świetlnym na skutek silnego odbijania światła. Niektóre z nich są otoczone białkową osłonką, o różnym składzie i grubości, która może zawierać enzymy katalizujące syntezę lub rozkład materiału zapasowego.

2.4.1. Granule wielocukrowe

Różne bakterie mogą gromadzić wielocukry jako materiał zapasowy. Na przykład Enterobacteriaceae, Micrococcus luteus i inne bakterie (w tym niektóre sinice) gromadzą glikogen, który jest silnie rozgałęzionym polimerem glukozy. Materiał podobny do skrobi, zwany granulozą (1,4-α-glukan), występuje np. u bakterii z rodzajów Clostridium i Neisseria. Oba wielocukry można wybarwić, podobnie jak skrobię, na fioletowo pod wpływem roztworu jodu w jodku potasu.

2.4.2. Polihydroksymaślan i inne polihydroksyalkaniany

Wiele bakterii i archeonów gromadzi w komórkach granule polihydroksyalkanianów (PHA, ang. poli-β-hydroxyalcanoates), gdy w środowisku dostępne są związki organiczne, a wzrost jest limitowany brakiem innych niż węgiel biogennych pierwiastków chemicznych. Stanowią one zapas węgla i rezerwę energetyczną prokariotów. Zaproponowano, by nazywać je karbonosomami. Granule PHA tworzą w komórce kuliste ciała (ryc. 2.4A i B), które można wybarwić takimi barwnikami, jak błękit nilowy A czy czerń sudanowa. Wykazano, że w skład tych poliestrów może wchodzić ponad 150 różnych kwasów hydroksyalkanowych.

A

B

Ryc. 2.4. Granule polihydroksymaślanu (PHB). A. Komórki sinicy Synechocystis PCC 6803 z widocznymi jasnymi granulami PHB (biała strzałka) i ciemnymi tylakoidami (czarna strzałka) (TEM). B. Schemat budowy granuli PHB. C. Budowa PHB (zdjęcie dzięki uprzejmości: Iris Maldener, Uniwersytet w Tybindze, Niemcy)

Najlepiej poznane są granule złożone z polihydroksymaślanu (PHB, ang. poly-β-hydroxybutyrate) (ryc. 2.4 C). Każda dojrzała granula otoczona jest jednowarstwową osłoną, niezawierającą fosfolipidów, złożoną z kilku rodzajów białek, wśród których są dwa enzymy (ryc. 2.4B):

- syntaza PHB, biorąca udział w syntezie tego polimeru,
- depolimeraza PHB, odpowiedzialna za jego wewnątrzkomórkowy rozkład, gdy w środowisku brakuje źródła węgla i energii.

Inne białka, zwane fazynami, pełnią funkcję strukturalną.

PHA są wykorzystywane do celów przemysłowych.

2.4.3. Cyjanoficyna

Wiele sinic ma w swojej cytoplazmie granule cyjanoficyny, które mogą stanowić do 10% masy komórki. Granule te składają się ze szkieletu poliasparaginianowego. Do grupy karboksylowej każdej cząsteczki asparaginianu dołączona jest reszta argininowa poprzez grupę aminową. Synteza tego polimeru zachodzi bez udziału rybosomów, a reakcję katalizuje syntetaza cyjanoficyny.

Cyjanoficyna może służyć nie tylko jako zapas azotu, węgla, ale także jako rezerwa energetyczna (np. w okresach braku światła). Powstająca w wyniku hydrolizy cyjanoficyny arginina może bowiem być hydrolizowana przez dihydrolazę argininy do ornityny z wytworzeniem ATP w wyniku fosforylacji substratowej:

arginina + ADP + P_(i) + H₂O → ornityna + 2 NH₃ + CO₂ + ATP

Cyjanoficynę syntetyzują nie tylko sinice, ale także niektóre bakterie heterotroficzne, np. Acinetobacter calcoaceticus. Geny kodujące białka homologiczne z syntetazami znaleziono w genomach wielu bakterii. Kwas poliasparaginianowy jest biodegradowalnym substytutem poliakrylanów i ma zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i w rolnictwie. Także arginina ma zastosowania praktyczne.

2.4.4. Lipidy

Nieliczne bakterie (ale nie archeony) gromadzą jako materiał zapasowy triacyloglicerole – estry kwasów tłuszczowych i glicerolu. Należą one w większości do typu Actinobacteria (np. rodzaje Mycobacterium, Streptomyces, Rhodococcus, Nocardia). Związki te występują w cytoplazmie w formie kropli (ang. lipid droplets) lub ciał tłuszczowych (ang. lipid bodies) i służą jako zapas węgla i energii. Być może są też wykorzystywane do regulowania płynności błony. Wymienione bakterie mogą też gromadzić w cytoplazmie estry woskowe.

Komórki sinic zawierają bardzo różne materiały zapasowe, w tym lipidy.

2.4.5. Polifosforany

Bakterie gromadzą także polifosforany (PO₃^(2–)–O–_(n)–PO₃^(2–)), które mogą występować w cytoplazmie w formie rozpuszczalnej albo w formie ziarnistości, zwanych wolutyną, od nazwy bakterii, Spirillum volutans, u której po raz pierwszy wykryto te struktury. Inna ich nazwa to ziarnistości metachromatyczne, gdy bowiem wybarwia się komórkę pewnymi barwnikami (np. błękitem toluidynowym), granule polifosforanów barwią się na inny kolor (czerwony) niż kolor stosowanego barwnika. Zjawisko to zwie się metachromazją.

Wolutyna składa się z dziesiątek do setek reszt fosforanowych połączonych wiązaniami bezwodnikowymi. Powstaje z udziałem kinaz polifosforanowych, które dodają do łańcucha polifosforanowego końcowy fosforan z ATP lub z GTP. Uważa się, że może ona:

- stanowić zapas fosforu (brak źródła tego pierwiastka bardzo często limituje wzrost prokariotów),
- brać udział w metabolizmie energetycznym, bowiem zerwanie wiązań bezwodnikowych uwalnia dużo energii, co umożliwia syntezę ATP,
- służyć do wyłapywania i przechowywania kationów (takich jak Ca²⁺, Mg²⁺).

Polifosforany występują u wielu różnych bakterii, takich jak Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Corynebacterium diphtheriae i niektóre sinice. U Agrobacterium tumefaciens i Rhodospirillum rubrum są pokryte błoną, podobnie jak granule polifosforanów, zwane acydokalcysomami, występujące w komórkach eukariotycznych. Zarówno u tych dwóch bakterii, jak i u eukariotów ziarnistości te zawierają H⁺ pirofosfatazę, która katalizuje reakcję rozkładu pirofosforanu z jednoczesnym przeniesieniem protonu, co prowadzi do zakwaszenia wnętrza acydokalcysomu. Polifosforanowe ziarnistości znaleziono też u archeonów, zatem ten typ materiału zapasowego występuje u organizmów zaliczanych do wszystkich trzech domen taksonomicznych.

2.4.6. Krople siarki

Siarka pierwiastkowa występuje w postaci kuleczek silnie załamujących światło u bakterii chemolitotroficznych utleniających H₂S (bezbarwne bakterie siarkowe, takich jak Beggiatoa, Thiotrix (ryc. 2.5) czy Thiomargarita namibiensis, a także u bakterii fotosyntetyzujących (niektóre fototrofy anoksygenne, takie jak Chromatium spp.). Są one obecne w cytoplazmie tak długo, jak długo siarka w zredukowanej formie jest obecna w środowisku. Gdy jej brakuje, siarka wewnątrzkomórkowa jest utleniana i jej zapasy maleją. U chemolitotrofów utlenianie siarki jest źródłem energii. U beztlenowych bakterii fotosyntetyzujących siarka jest donorem elektronów potrzebnych do redukcji CO₂, natomiast u sinic krople siarki mogą być produktem detoksykacji H₂S obecnego w miejscu występowania tych bakterii.

Ryc. 2.5. Thiotrix sp. gromadząca krople siarki. Bakteria została wyizolowana z maty mikroorganizmów z kopalni miedzi Polkowice-Sieroszowice. Preparat przyżyciowy. Powiększenie 1600x (dzięki uprzejmości: Renata Matlakowska Wydział Biologii UW)

2.5. Inne struktury występujące w cytoplazmie

W cytoplazmie prokariotów występują też inne struktury, których zawartość jest oddzielona od cytozolu w różny sposób:

- prawdziwą dwuwarstwową błoną (magnetosomy),
- błoną jednowarstwową (chlorosomy),
- białkową osłonką (pęcherzyki gazowe, karboksysomy, enterosomy itp.).

Struktury z białkowymi osłonkami (ang. shell) nazywane są bakteryjnymi mikroprzedziałami (BMC, ang. bacterial microcompartments). Większość z nich (ale nie pęcherzyki gazowe) zawiera enzymy i stwarza idealne środowisko do katalizy reakcji metabolicznych. Wydaje się, że białka osłonki selektywnie kontrolują przemieszczanie się pewnych związków (w tym toksycznych lub lotnych) między wnętrzem mikroprzedziału a cytozolem.

Trzeba w tym miejscu wspomieć, że niektóre bezbarwne bakterie siarkowe (rodzaje Thioploca, Thiomargarita i morskie gatunki Beggiatoa) wyposażone są w dużą, niespotykaną u innych prokariotów wakuolę, jak się wydaje, wydzieloną od cytoplazmy błoną. Bakterie te uzyskują energię z utleniania siarczków, a przy braku tlenu oddychają azotanami zgromadzonymi w wakuoli. Stężenie tego anionu wynosi 15 do 800 mM, co przekracza 400 do 20 000 razy stężenie w otaczającym środowisku. Cytoplazma Thiomargarita namibiensis, największej ze znanych bakterii tworzy cienką warstwę pod błoną cytoplazmatyczną, a wakuola magazynująca azotany może zajmować ponad 80% objętości komórki.

Wymienione wyżej struktury, wydzielone od reszty cytoplazmy błoną czy osłonką i pełniące określone funkcje, można zatem nazwać organellami, choć ich budowa jest znacznie prostsza niż organelli eukariotycznych.

2.5.1. Magnetosomy

Magnetosomy występują w mikroorganizmach wykazujących magnetotaksję, czyli zdolność do orientowania się względem ziemskiego pola magnetycznego. Taką właściwość mają niektóre glony i bakterie gramujemne. Magnetosomy służą jako kompasy umożliwiające mikroorganizmom zdolnym do ruchu rzęskowego nawigację wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego. W obszarach odległych od równika ziemskie pole magnetyczne ma dużą składową prostopadłą do powierzchni Ziemi. Ruch bakterii wzdłuż pola magnetycznego oznacza zatem, że około połowa populacji bakterii będzie się poruszała w głąb wody. Rola ekologiczna magnetyzmu bakterii nie jest w pełni jasna. Wydaje się jednak, że zdolność tych mikroaerofilnych bakterii do magnetotaksji umożliwia im dotarcie tam, gdzie stężenie tlenu jest odpowiednio małe.

Magnetosomy to struktury błonowe, wykazujące podobieństwo do organelli eukariotycznych. Błona magnetosomu jest wpukleniem błony cytoplazmatycznej, lecz zawiera zestaw odmiennych białek. Większość z nich jest kodowana przez określony region DNA, zwany wyspą magnetosomową (MAI, ang. magnetosome island). Biogeneza magnetosomów jest procesem skomplikowanym i obejmuje następujące etapy (ryc. 2.6):

- inwaginacja błony cytoplazmatycznej, aktywowana przez odpowiednie białka Mam,
- powstawanie pęcherzyka po pojawieniu się kolejnych białek Mam,
- ulokowanie organelli w określonym miejscu komórki z udziałem białka MamK, stanowiącego element cytoszkieletu, i MamJ, związanego z błoną pęcherzyka,
- transport żelaza z udziałem odpowiedniego transportera i rozpoczęcie jego biomineralizacji,
- wzrost kryształu magnetytu (Fe₃O₄) do określonych wymiarów z udziałem wielu różnych białek kodowanych przez wyspę MAI.

Ryc. 2.6. Model powstawania magnetosomu. IM – błona cytoplazmatyczna; MamK, MamJ, Mms6 – białka uczestniczące w biogenezie magnetosomów; OM – błona zewnętrzna; PP – przestrzeń peryplazmatyczna

Każdy magnetosom zawiera pojedynczy kryształ magnetyczny, którego morfologia zależy od gatunku. Pojedyncze magnetosomy są ułożone w jednej linii i tworzą jeden lub większą liczbę łańcuchów, w których powstawaniu uczestniczą filamenty cytoszkieletu, złożone z białka MamK podobnego do aktyny. Istnieją bakterie magnetotaktyczne, których magnetosomy zawierają kryształy greigitu (Fe₃S₄).

Bakterie magnetotaktyczne są zróżnicowane pod względem metabolicznym i morfologicznym. Znakomita ich większość należy do typu Proteobacteria, ale w 2011 r. opisano pierwszą bakterię magnetotaktyczną należącą do typu Nitrospirae („Candidatus Magnetobacterium bavaricum”). Nie znamy jednak żadnych archeonów zdolnych do magnetotaksji.

2.5.2. Bakteryjne mikroprzedziały

Mikroprzedziały wydzielone białkową osłonką (BMC) występują u bakterii zaliczanych do wielu typów taksonomicznych. Jako pierwsze zostały poznane karboksysomy, w których zachodzi wiązanie dwutlenku węgla u bezwzględnych autotrofów. Potem okazało się, że istnieją BMC zwane przez niektórych badaczy metabolosomami, w których może zachodzić tlenowy i beztlenowy katabolizm różnych związków organicznych. W BMC przebieg procesów metabolicznych jest zoptymalizowany, bowiem:

- enzymy i ich kofaktory oraz substraty są zlokalizowane w jednym miejscu,
- stężenie ww. związków może być duże,
- białkowa osłonka działa jak bariera zatrzymująca lotne lub toksyczne intermediaty reakcji, nie pozwalając im przedostać się do cytozolu.

Osiem różnych szlaków metabolicznych może być przeprowadzanych wewnątrz bakteryjnych mikroprzedziałów. Najlepiej poznane zostały tzw. enterosomy – przedziały pałeczek jelitowych (Enterobacteriaceae), w których zachodzi rozkład 1,2-propandiolu (mikroprzedział Pdu, ang. 1,2-propanediol utilization) i etanoloaminy (mikroprzedział Eut, ang. ethanolamine utilization). Etanoloamina jest pochodną fosfoatydyloetanoloaminy, składnika błony komórkowej zarówno bakterii, jak i człowieka. Może ona służyć jako źródło węgla, azotu i energii pałeczkom jelitowym występującym w jelicie grubym zwierząt, w tym człowieka. Etanoloamina przedostaje się do mikroprzedzialu Eut (ryc. 2.7), gdzie jest rozkładana z udziałem czterech enzymów. Produktem pośrednim tej degradacji jest aldehyd octowy – lotny związek toksyczny. Na szczęście osłonka mikroprzedziału nie przepuszcza tego intermediatu do cytoplazmy i zostaje on rozłożony z udziałem odpowiednich enzymów. Końcowe produkty reakcji, amoniak, etanol, acetylofosforan i acetylo-CoA, przedostają się do cytoplazmy, gdzie są wykorzystywane w metabolizmie komórki.

Ryc. 2.7. Model mikroprzedziału Eut Escherichia coli. Objaśnienia w tekście

Ryc. 2.8. Karboksysomy Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 19377 (pokazane przez strzałkę) (dzięki uprzejmości: Renata Matlakowska Wydział Biologii UW)

Osłonki mikroprzedziałów zbudowane są z pojedynczej warstwy regularnie powtarzających się układów białek, mają kształt wielościanów (o średnicy 100–150 nm) i przypominają kapsydy wirusów. Osłonki karboksysomów są dwudziestościanami (ryc. 2.8), natomiast Eut i Pdu mają kształt mniej regularnych wielościanów.

2.5.3. Pęcherzyki gazowe

Dawniej uważano, że pęcherzyki gazowe (GV, ang. gas vesicles) występują wyłącznie u niektórych prokariotów wodnych (np. sinic tworzących zakwity, fotosyntetyzujących bakterii purpurowych i zielonych oraz halofilnych archeonów) i służą do unoszenia się w wodzie na odpowiedniej głębokości. Okazało się, że są one obecne także w bakteriach z innych środowisk, np. w glebowych Bacillus megaterium i Streptomyces coelicolor. Co ciekawe, pęcherzyki gazowe występują także w endosporach – ale nie komórkach wegetatywnych – dwóch beztlenowych halofilnych bakterii Sporohalobacter lortetii i Orenia sivashensis (typ Firmicutes). Nie wiadomo, jaką pełnią funkcję.

GV to puste w środku struktury o kształcie wrzeciona wypełnione gazem, które silnie załamują światło, więc można je zobaczyć nawet w mikroskopie świetlnym (kontrast fazowy). GV mogą liczyć od 50 nm do 1 μm długości i 30–250 nm średnicy. Jest ich od kilku do kilkuset w jednej komórce.

Budowa pęcherzyków jest bardzo dobrze poznana na poziomie molekularnym. Mają one sztywną osłonkę, zbudowaną z jednej warstwy głównego, hydrofobowego białka GvpA (inne białka występują w mniejszej ilości), nieprzepuszczalnej dla wody, lecz przepuszczalnej dla gazów. Skład gazowy pęcherzyka jest zbliżony do składu gazu w otaczającym środowisku. Dzięki pęcherzykom gazowym komórki mają określoną pławność, co pozwala im unosić się na odpowiedniej głębokości w środowiskach wodnych, gdzie:

- stężenie tlenu jest odpowiednio duże, co jest szczególnie ważne w przypadku wód silnie zasolonych,
- natężenie światła jest optymalne, co jest kluczowe dla bakterii fotosyntetyzujących i prokariotów wykorzystujących pompy protonowe napędzane światłem (takie jak bakteriorodopsyny i proteorodopsyny).

Nie można wykluczyć, że u niektórych prokariotów rolą GV jest zmniejszenie objętości cytoplazmy, co prowadzi do zwiększenia stosunku powierzchni komórki do jej objętości cytoplazmy. Jest to korzystne i pomaga przeżyć w warunkach stresowych.

Pęcherzyki gazowe mogą być wytwarzane przez komórkę w sposób konstytutywny bądź ich synteza może być indukowana przez warunki środowiska. W przypadku fototrofów niskie natężenie światła może indukować powstawanie nowych GV, a więc prowadzi do zmniejszenia gęstości pławnej i unoszenia się bakterii w górę w słupie wody. Pławność prokariotów może być zmniejszana różnymi sposobami. Przy intensywnym świetle nowe pęcherzyki nie powstają i po podziale komórki pęcherzyki już istniejące ulegają rozdziałowi do komórek potomnych, co prowadzi do ich „rozcieńczenia”. Wydaje się, że może też dochodzić do zapadnięcia się pęcherzyków pod wpływem podwyższonego turgoru komórki. Pławność mikroorganizmów mogłaby się też zmniejszać wskutek nagromadzenia w nich pewnych materiałów zapasowych, np. węglowodanów.

Pęcherzyki gazowe mają potencjalne zastosowania biotechnologiczne, np. do celów biomedycznych. Wyniki badań, w których antygeny wirusów, bakterii i patogenów eukariotycznych połączone z białkiem GvpC były eksponowane na powierzchni pęcherzyków gazowych, są obiecujące i dają nadzieję, że będzie można zastosować GV do produkcji szczepionek. Prowadzone są też badania w zastosowaniu GV jako czynnika kontrastującego w obrazowaniu ultradźwiękowym.

2.5.4. Węglany

W roku 2012 po raz pierwszy opisano sinicę Gloeomargarita lithophora, tworzącą szmaragdowozielone biofilmy na mikrobialitach w jeziorze Alchichica w Meksyku. W jej cytoplazmie występują amorficzne inkluzje węglanów Ca, Sr, Ba, Mg w postaci okrągłych granul o średnicy około 270 nm, które silnie załamują światło i dlatego są dobrze widoczne pod mikroskopem. Dalsze badania wykazały, że zdolność do wewnątrzkomórkowego wytrącania węglanów występuje też u innych rodzajów jednokomórkowych sinic, przy czym u niektórych inkluzje zlokalizowane są w całej objętości komórki (np. G. lithophora), a u innych na jej biegunach (np. Thermosynechococcus elongatus).

Mechanizm biomineralizacji i funkcja, jaką pełnią węglany, nie jest jasna. Postuluje się, że albo buforują one pH cytoplazmy, albo stanowią rodzaj balastu, będącego przystosowaniem do życia na dnie zbiornika wodnego.

Duże ilości koloidalnego kalcytu gromadzą w swoich komórkach bezbarwne bakterie siarkowe z rodzaju Achromatium, które są znane od ponad stu lat, ale nadal uczeni nie potrafią ich hodować. Wydaje się, że kalcyt ma działanie buforujące i przeciwdziała lokalnym zmianom pH (bakterie utleniają siarkowodór do kwasu siarkowego).

2.6. Błona komórkowa prokariotów

Błona komórkowa (cytoplazmatyczna) wszystkich organizmów jest cienką strukturą całkowicie otaczającą cytoplazmę, zbudowaną z fosfolipidów i białek, połączonych oddziaływaniami niekowalencyjnymi. Zarówno do fosfolipidów, jak i do białek mogą być dołączone węglowodany. Główną klasą błonowych lipidów są fosfolipidy, które składają się z: (a) fosforanu glicerolu, stanowiącego szkielet, do którego przyłączone są pozostałe składniki, czyli (b) alkohol i (c) kwasy tłuszczowe – u bakterii i eukariotów lub prenole – u archeonów (ryc. 2.9A i B). Pierwsze dwa składniki stanowią część hydrofilową fosfolipidów, zaś kwasy tłuszczowe i łańcuchy izoprenoidów – część hydrofobową. Różnice w budowie fosfolipidów bakterii i archeonów omówiono w dalszych podrozdziałach.

Ryc. 2.9. Budowa fosfolipidów błonowych prokariotów. A. Bakterie. B i C. Archeony. Niebieskimi cyframi zaznaczono kolejność węgli w glicerolu. R– alkohol. Dalsze objaśnienia w tekście

Jak widać na rycinie 2.10A i B, w błonie cytoplazmatycznej fosfolipidy są ułożone w dwie równolegle biegnące warstwy, tworzące tzw. dwuwarstwę fosfolipidową. Hydrofobowe ogony skierowane są do wnętrza dwuwarstwy, a hydrofilowe główki na zewnątrz – jedna do środowiska, a druga do cytoplazmy. W dwuwarstwie są zanurzone integralne białka błonowe; są też z nią luźno związane niektóre białka cytoplazmatyczne oraz peryplazmatyczne. Noszą one nazwę białek peryferycznych. Niektóre z nich mają część lipidową, która zakotwicza je w błonie. Białka peryferyczne często oddziałują z białkami integralnymi.

Ryc. 2.10. Budowa błony komórkowej prokariotów. A. Schemat budowy błony komórkowej bakterii i niektórych archeonów. B. Schemat budowy jednowarstwowej błony komórkowej niektórych archeonów. C. Budowa cholesterolu. D. Budowa hopanoidu

Błona komórkowa nie jest strukturą sztywną, lecz jest płynną mozaiką lipidów i białek. Cząsteczki białek i lipidów są połączone oddziaływaniami niekowalencyjnymi o charakterze kooperatywnym. Są to wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe. Również takie jony jak Mg²⁺ i Ca²⁺ stabilizują błonę, oddziałując na ujemne ładunki fosfolipidów.

Dzięki fosfolipidom błona stanowi barierę przepuszczalności oddzielającą wnętrze komórki od środowiska, uniemożliwiającą bierny wypływ składników cytoplazmy i niekontrolowany napływ związków ze środowiska do wnętrza komórki. Jedną z ważnych ról białek błonowych jest z kolei pobieranie potrzebnych metabolitów i usuwanie zbędnych produktów na zewnątrz. Fosfolipidy błonowe mogą też oddziaływać swoiście na białka błonowe, wpływając na ich prawidłowe zwinięcie, co może być istotne dla funkcjonowania tych białek.

W odpowiedzi na zmieniające się warunki środowiska prokarioty modyfikują skład swojej błony komórkowej, aby utrzymać jej optymalne właściwości.