Transpozonai

http://www.ulkemiz.com/hareketli-gentransposon-nedir
Transpozonai yra nedideli DNR fragmentai, kurie gali judėti iš vieno DNR molekulės regiono į kitą. Šios DNR dalys yra 700 – 40 000 bazių porų ilgio.

Šeštajame dešimtmetyje Amerikos genetikė Barbara McClintock atrado transpozonus kukurūzuose, bet transpozonai randami visuose organizmuose, o įdėmiau ištirti mikroorganizmuose. Transpozonai gali judėti nuo vienos chromosomos į kitą jos vietą, taip pat tarp skirtingų chromosomų ar plazmidžių. Dažnas transpozonų judėjimas gali pražudyti pačią ląstelę. Pavyzdžiui, transpozonui judant chromosoma jis gali įsiterpti geno viduje taip jį inaktyvuodamas. Laimei, toks fragmentų perkėlimas yra gana retas. Transpozicijos dažnumas yra panašus į spontaninių mutacijų, vykstančių bakterijose – nuo 10-5 iki 10-7 vienoje generacijoje.

Visi transpozonai turi informacijos apie jų pačių transpoziciją. Paprasčiausi transpozonai (a), vadinami įterptinėmis sekomis, turi geną, koduojantį fermentą (transpozazę, kuri katalizuoja DNR kirpimą ir sujungimą, vykstančius transpozicijos metu) ir atpažinimo sekas. Atpažinimo sekos yra trumpos invertuotos (apverstos) DNR sekos, kurias fermentas atpažįsta kaip transpozono ir chromosomos rekombinacijos vietas.

Sudėtingesni transpozonai taip pat turi ir kitų genų, nesusijusių su transpozicijos procesu. Pavyzdžiui, bakteriniai transpozonai gali turėti genų, koduojančių enterotoksinus ar atsparumą antibiotikui (b). Tokios plazmidės kaip R faktoriai dažnai yra įvairių transpozonų kolekcijos (c).

Transpozonai, turintys atsparumo antibiotikams genus, turi praktinį susidomėjimą, tačiau tai nėra vieninteliai genai, kuriuos transpozonai gali turėti. Taigi, transpozonai suteikia natūralų mechanizmą genams judėti nuo vienos chromosomos iki kitos. Be to, kadangi jie gali būti perduodami plazmidėms ar virusams, transpozonai gali būti perduoti kitiems organizmams ar net rūšims. Pavyzdžiui, Enterococcus faecalis perdavė atsparumą vankomicinui Staphylococcus aureus transpozonu, vadinamu Tn1546. Taigi, transpozonai potencialiai yra galingi organizmų evoliucijos tarpininkai.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. “Microbiology. An Introduction”. 11th edition. p.237-239

Mikrobai: Salinibacter ruber

https://www.pinterest.com/pin/565624034440907563/?lp=true
Trumpas įrašas apie bakteriją, kuri gali išgyventi tokiame vandenyje, kur negali išgyventi kitos bakterijos.
 
Salinibacter ruber yra ekstremofilinė halofilinė bakterija, kuri pirmą kartą buvo identifikuota 2002 m. Alikantėje ir Maljorkoje. Ji yra lazdelės formos, gramneigiama bakterija, auga aerobinėmis sąlygomis ir judėjimui turi žiuželį. Aplinka, kurioje šios bakterijos buvo identifikuotos, pasižymi itin aukšta druskų koncentracija. S. ruber neauga druskų koncentracijoje, žemesnėje nei 15 %, o ideali (optimali) druskų koncentracija yra 20-30 % (vidutiniškai jūrų vandenų druskų koncentracija yra 3,5 %). S. ruber išgyvena tokią neįprastą aplinką dėl adaptacijos susidoroti su aukšta druskų koncentracija. Šios adaptacijos: baltymų sekų modifikacijos, skirtingų funkcijų baltymų komplektavimas bei horizontali genų pernaša iš kitų halofilinių bakterijų.

http://phylomedb.org/?q=node/631
Šios bakterijos yra itin įdomios dėl ekstremofilinių tendencijų, kurios labiau įprastos archėjoms, o ne bakterijoms. Įprastai bakterijos nevaidina svarbaus vaidmens mikrobinėse bendruomenėse, kurios gyvena labai druskingose aplinkose. Tačiau su S. ruber atradimu tokia nuomonė yra šiek tiek paneigiama. Nustatyta, kad S. ruber sudarė nuo 5 iki 25 % prokariotinės bendruomenės Ispanijos druskų kasyklų tvenkiniuose.

Viena iš prisitaikymo formų, kaip S. ruber gali gyventi itin druskingoje aplinkoje, yra baltymų struktūros pokyčiai. Šių bakterijų baltymuose gausu rūgštinių aminorūgščių (aspartatas, glutamatas), žemi bazinių aminorūgščių (ypač lizino) lygiai. Taip pat jų baltymuose mažai hidrofobinių aminorūgščių, bet didelis serino kiekis. Taip baltymams suteikiama pI (izoelektrinis taškas – toks pH, kai molekulės neturi elektrinio krūvio) reikšmė 5,2, kuri leidžia organizmui klestėti druskingoje aplinkoje.

Parodyta, kad S. ruber palaiko aukštą viduląstelinę kalio koncentraciją (palaiko organizmo skysčių osmotinį slėgį) ir turi tokių fermentų, kurie funkcionalūs esant aukštoms druskų koncentracijoms. Šie fermentai yra panašūs į halofilinių archėjų.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Salinibacter_ruber

Plazmidės

http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch20/plasmid.html
Plazmidės ir transpozonai – genetiniai elementai, kurie suteikia papildomų genetinių pasikeitimų mechanizmų. Jų yra tiek prokariotiniuose, tiek eukariotiniuose organizmuose, bet dėmesys bus koncentruotas į prokariotuose esančius elementus.

Plazmidės
Plazmidės yra genus koduojančios, dažniausiai žiedinės DNR, kurios replikuojasi nepriklausomai nuo bakterijų chromosomos. Plazmidžių dydis yra apie 1-5 % bakterijų chromosomos ilgio. Plazmidės dažniausiai identifikuojamos bakterijose, tačiau jų turi ir kai kurie eukariotiniai organizmai, pavyzdžiui, Saccharomyces cerevisiae mielės. 

http://www.whatisbiotechnology.org/index.php/science/summary/plasmid
Ankstesniame įraše aptartas F faktorius yra konjugacinė plazmidė, kuri koduoja lytinių pilių ir plazmidės pernašos į kitą ląstelę genus. Nors ir plazmidės dažniausiai nėra būtinos, esant tam tikroms sąlygoms, genai, koduojami plazmidėse, gali būti itin svarbūs ląstelės išgyvenimui ir augimui. Pavyzdžiui, disimiliacinės plazmidės koduoja fermentus, kurie atsakingi už tam tikrų neįprastų angliavandenių katabolizmą. Kai kurios Pseudomonas genties rūšys gali skaidyti tokias egzotines medžiagas kaip tolueną, kamparą ir naftoje esančius angliavandenius kaip pirminį anglies ir energijos šaltinį, nes jie turi šių medžiagų katabolinius fermentus, kurių genai koduojami plazmidėse. Tokios specifinės savybės leidžia mikroorganizmui išgyventi įvairiose ir kitiems organizmams sudėtingose aplinkose. Dėl jų gebėjimo degraduoti ir detoksikuoti įvairius neįprastus junginius, tokie mikroorganizmai ar jų genai gali būti panaudojami aplinkos taršos valymui.

Kito tipo plazmidės koduoja baltymus, kurie padidina bakterijų patogeniškumą. E. coli kamienas, kuris sukelia naujagimių ir vadinamą keliautojų viduriavimą, turi plazmides, kurios koduoja toksino gamybos ir bakterijos prisitvirtinimo prie žarnyno ląstelių genus. Be šių plazmidžių, E. coli yra nekenksmingas storiosios žarnos gyventojas, o su jomis – patogenas. Kiti plazmidėse koduojami toksinai yra Staphylococcus aureus eksfoliacinis toksinas, Clostridium tetani neurotoksinas ir Bacillus antharis toksinai. Dar kitokios plazmidės koduoja bakteriocinų sintezės genus. Bakteriocinai – toksiniai baltymai, kurie žudo kitas bakterijas. Tokios plazmidės nustatytos daugelyje bakterijų genčių ir naudojamos kaip markeriai, tam tikrų bakterijų identifikavimui klinikinėse laboratorijose.

Atsparumo faktoriai (R (resistance) faktoriai) yra plazmidės, kurios turi didelę medicininę reikšmę. Pirmą kartą tokios plazmidės identifikuotos Japonijoje, šeštajame dešimtmetyje, po kelių dizenterijos epidemijų. Kai kurių epidemijų metu, infekcijos agentas buvo atsparus įprastiems antibiotikams. Atlikus patogeno izoliaciją nustatyta, jog jis taip pat yra atsparus skirtingiems antibiotikams. Be to, kitos normalios bakterijos, išskirtos iš pacientų (pavyzdžiui, E. coli) taip pat pasižymėjo atsparumu antibiotikams. Mokslininkai greitai atrado, jog šios bakterijos įgijo atsparumą per genų plitimą nuo vienų organizmų kitiems. Plazmidės, kurios atliko šį perdavimą, yra R faktoriai.

R faktoriai koduoja genus, kurie ląstelei suteikia atsparumą antibiotikams, sunkiesiems metalams ar ląstelių išskiriamiems toksinams. Dauguma R faktorių turi dviejų tipų genus. Viena grupė yra vadinama atsparumo perdavimo faktorius (RTF), o šiai grupei priklauso genai, atsakingi už plazmidės replikaciją ir konjugaciją. Kita genų grupė – r-determinantė – yra patys atsparumo genai. Šiai grupei priklauso fermentų gamybos, kurie inaktyvina tam tikrus vaistus ar toksines medžiagas, genai. Kai skirtingi R faktoriai būna toje pačioje ląstelėje, tai jie gali rekombinuoti ir taip gali susiformuoti nauji R faktoriai, su naujomis genų kombinacijomis r-determinantėje.

Kai kuriais atvejais, atsparumo genų kaupimasis vienoje plazmidėje yra gena įspūdingas. Pavyzdžiui, paveikslėlyje matome atsparumo plazmidės R100 genetinį žemėlapį. Šioje plazmidėje koduojami sulfonamidų, streptomicino, chlorampfenikolio ir tetraciklino atsparumo genai, taip pat atsparumas gyvsidabriui. Ši plazmidė gali būti pernešta tarp daugelio žarnyno bakterijų, tarp kurių yra Escherichia, Klebsiella ir Salmonella.

R faktoriai sukelia rimtų problemų infekcijas gydant antibiotikais. Platus antibiotikų naudojimas medicinoje ir žemės ūkyje privedė prie lengvo bakterijų, turinčių R faktorius, išgyvenimo, taigi atsparių bakterijų populiacijos yra vis didesnės ir didesnės. Atsparumo pernešimas tarp bakterijų ląstelių populiacijoje, ir netgi tarp skirtingų bakterijų genčių, taip pat prisideda prie problemos. Bakterijų rūšys gali konjuguoti ir perduoti plazmides kitoms rūšims. Neisseria galėjo įgauti penicilinazę (peniciliną skaidantis fermentas) gaminančią plazmidę iš Streptococcus. Nekonjugacinės plazmidės gali būti perduodamos kitoms ląstelėms įsiterpusios į konjugacines plazmides, arba integruoros į chromosomas, arba transformacijos būdu, kai plazmidė yra išleidžiama į aplinką žuvus ląstelei.

https://www.reactgroup.org/toolbox/understand/antibiotic-resistance/mutation-and-selection/
Plazmidės yra labai svarbus įrankis genų inžinerijoje, o tai bus aptarta kitame skyriuje. Na o apie transpozonus - kitame įraše. 

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. “Microbiology. An Introduction”. 11th edition. p.235-237

Mokslo naujienos: apynių skonio alus be apynių

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180321162259.htm

Alus su apyniais (hoppy beer) yra mėgstamas tiek tarp alaus gamintojų, tiek tarp alaus mylėtojų, o dabar UC (University of California) Berkeley biologai sugalvojo būdą, kaip jo unikalų skonį ir aromatą išgauti nenaudojant apynių.

Mokslininkai sukūrė alaus mielių (Saccharomyces cerevisiae) kamieną, kuris ne tik fermentuoja alų, bet ir suteikia dvi pagrindines skonio natas, kurias sukuria apyniai. Dvigubai akluose ragavimo testuose, Lagunitas alaus daryklos (Petaluma, Kalifornija) darbuotojai, genetiškai modifikuotų kamienų pagamintą alų apibūdino kaip turintį daugiau apynių skonio (more hoppy) nei kontrolinis alus, pagamintas įprastų mielių ir pridėjus apynių.

Kodėl alaus gamintojai nori naudoti mieles, o ne apynius, kad perteiktų skonį ir aromatą? Pasak Charles Denby, vieno iš dviejų autorių, apynių auginimui sunaudojama daug vandens, be to, reikia ir trąšų, o dar ir transporto išlaidos. Viso to galima išvengti naudojant mieles, suteikiančias apynių skonį. Pintai alaus (apie 473 ml) gali prireikti 50 pintų vandens (apie 23,65 litro), kurį sunaudos auginami apyniai. „Tikiuosi, kad jei mes galime pagaminti puikų alų naudojant šią technologiją, naudojančią mažiau išteklių, žmonės tai priims“ – sako Denby.
Denby įsteigė startuolį (startup), pavadintą Berkeley Brewing Science, kartu su Rachel Li, antrąja autore. Jie tikisi pristatyti apynių mieles alaus gamintojams ir sukurti kamienus, kurie įtrauktų naujus augalinius skonius, kurie nėra būdingi alui, pagamintam iš įprastų ingredientų: vandens, miežių, apynių ir mielių.

DNR žirklių naudojimas
Modifikuoti mielių kamienai buvo sukurti naudojant CRISPR-Cas9, nesudėtingą ir nebrangų genų redagavimo įrankį („molekulinės DNR žirklės“). Denby ir Li įterpė keturis naujus genus bei promotorius, kurie šiuos genus reguliuoja, į pramonėje naudojamas alaus mieles. Du genai – linalolio sintazės ir geraniolio sintazės – koduoja fermentus, kurie gamina skonio komponentus, būdingus daugeliui augalų. Šiuo atveju, genai atitinkamai paimti iš mėtos ir baziliko. Mėginti naudoti ir kitų augalų, kurie taip pat turi linalolio sintazės aktyvumą, pavyzdžiui, braškės ar alyvuogės, genai, tačiau su jais dirbti buvo sudėtingiau.

Kiti du genai buvo paimti iš mielių ir padidino prekursorių („žaliavinių“) molekulių, reikalingų linalolio ir geraniolio sintezei, gamybą. Visi genetiniai komponentai – Cas9 genas, keturi mielių, mėtos ir baziliko genai bei promotoriai – kaip ir įprasta panašiuose darbuose buvo įterpti į mieles naudojant mažą žiedinę plazmidę (ekstrachromosominė DNR). Mielių ląstelės Cas9 geną transliavo į Cas9 baltymus, kurie perkerpa mielių DNR specifinėse vietose. Tada mielių DNR reparacijos fermentai tada iškerpa keturis genus bei jų promotorius ir įterpia juos į mielių DNR.

Po to jie paprašė Charles Bamforth, atsakingo už salyklo ir alaus gamybą UC Davis, pagaminti alų naudojant tris geriausius kamienus, apynius panaudojant tik alaus gamybos iniciacijos stadijoje (misoje), kad būtų išgautas kartumas, bet ne pačių apynių skonis. Apynių skonis suteikiamas tik naujųjų mielių kamienų. Bamforth taip pat pagamino alaus, naudojant įprastas mieles ir apynius, ir atliko aklą testą su 27 alaus gamyklos darbuotojais. „Tai buvo vienas pirmųjų ragavimo testų, taigi rezultatas, jog alus buvo įvertintas kaip turintis daugiau apynių skonio, nei gamintas naudojant apynius, labai paskatinantis“ – sakė Li.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180321162259.htm

Konjugacija ir transdukcija

https://lucbourne.scienceblog.com/64/dangerous-genes-above-beijing/
Praeitame įraše aptarėme vieną iš mechanizmų, kaip genetinė medžiaga yra perduodama vienų mikroorganizmų kitiems. Kitas būdas genetinei medžiagai perduoti yra konjugacija. Konjugacijoje tarpininkauja tam tikra plazmidė, žiedinė (dažniausiai) DNR molekulė, kuri replikuojasi nepriklausomai nuo ląstelės chromosomos. Nors tiek chromosomoje, tiek plazmidėje yra DNR, genai, kurie yra koduojami plazmidėje, nėra ląstelei būtini augant normaliomis sąlygomis. Konjugacinės plazmidės perduodamos konjugacijos metu.

Konjugacija nuo transformacijos skiriasi dviem pagrindiniais aspektais. Pirma, konjugacijai reikalingas tiesioginis kontaktas tarp ląstelių. Antra, konjugacinės ląstelės turi būti skirtingų poravimosi tipų, tai yra, donorė ląstelė turi turėti plazmidę, o ląstelė recipientė įprastai jos neturi. Gramneigiamų bakterijų plazmidėje nešami genai, kurie koduoja lytinių pilių sintezę. Lytinės pilės – ląstelės-donorės paviršiuje esančios iškyšos, kuriomis ji kontaktuoja su recipiente ir priartina ląsteles viena prie kitos. Gramteigiamos bakterijos gamina lipnias paviršiaus molekules, dėl kurių ląstelės gali kontaktuoti viena su kita. Konjugacijos metu, plazmidė yra replikuojama viengrandės plazmidinės DNR kopijos pernašos į recipientę metu, o ląstelėje recipientėje yra susintetinama komplementari (antroji) DNR grandinė.


Kadangi dauguma konjugacijos tyrimų buvo atlikta su E. coli, tai čia bus aprašytas procesas, vykstantis šiose bakterijose. E. coli pirmoji surasta plazmidė, kuri yra pernešama konjugacijos būdu, vadinama F faktoriumi (fertilumo faktorius). Donorės, turinčios F faktorių (F+ ląstelės) perduoda plazmides recipientėms (F- ląstelės), kurios vėliau irgi tampa F+ ląstelėmis (turi plazmidę). Kai kuriose ląstelėse, turinčiose F faktorių, šis faktorius integruojasi į ląstelės chromosomą, ir jos iš F+ ląstelių tampa Hfr ląstelėmis (high frequency of recombination – didelis rekombinacijų dažnis). Kai konjugacija vyksta tarp Hfr ir F- ląstelių, Hfr ląstelių chromosoma (su integruotu F faktoriumi) replikuojasi ir tėvinė chromosomos grandinė yra perduodama ląstelei recipientei. Hfr chromosomos replikacija prasideda integruoto F faktoriaus viduryje ir nedidelė F faktoriaus dalis nuveda chromosomos genus į F- ląstelę. Įprastai, chromosoma nutrūksta dar iki pernešant ją visą. Kai atsiduria ląstelėje recipientėje, donorės DNR gali rekombinuotis su recipientės DNR (donorės DNR, kuri nėra integruojama, yra suardoma). Taigi, kai konjugacija vyksta su Hfr, F- ląstelėje gali atsirasti naujos chromosominių genų kombinacijos (kaip ir transformacijoje). Tačiau, ji vis dar lieka F- ląstele, nes konjugacijos metu ji negavo viso F faktoriaus.

Konjugacija yra naudojama genų vietos bakterijų chromosomoje nustatymui. Treonino (thr) ir leucino (leu) sintezės genai yra pirmieji nuo 0 žiūrint pagal laikrodžio rodyklę (žiūrėti paveikslėlyje). Jų vieta chromosomoje buvo nustatyta atliekant konjugacijos eksperimentus. Tarkime, kad konjugacija gali vykti tik vieną minutę laiko tarp Hfr kamieno, kuris yra his+, pro+, thr+ ir leu+ (turi histidino, prolino, treonino ir leucino sintezės genus) ir F- kamieno, kuris yra his-, pro-, thr- ir leu- (šių genų neturi). Jei F- įgavo gebėjimą sintetinti treoniną, tai thr genai yra lokalizuoti chromosomos pradžioje, tarp 0 ir 1 minutės. Jei po 2 minučių F- ląstelė taptų thr+ ir leu+, tai šių genų seka chromosomoje turi būti thr, leu ir t.t.

Trečiasis būdas, kaip genetinė medžiaga gali būti pernešta tarp bakterijų, yra transdukcija. Šio proceso metu, bakterinė DNR nuo donorinės ląstelės recipientei yra pernešama virusų, kurie infekuoja bakterijas. Bakterijas infekuojantys virusai vadinami bakteriofagais arba trumpiau fagais. Tam, kad suprastume, kaip vyksta transdukcija, aptarsime vieno E. coli fago gyvenimo ciklą. Šis fagas atlieka generalizuotą transdukciją.

Fago dauginimosi metu, fago DNR ir baltymus sintetina ląstelė-šeimininkė (bakterija). Fago DNR turi būti supakuota į fago baltyminį apvalkalą. Tačiau bakterinė DNR, plazmidinė DNR ar netgi kito viruso DNR gali būti supakuota į šį baltyminį apvalkalą. Naujai susidarę fagai gali užkrėsti kitas ląsteles ir taip juose esanti DNR gali būti pernešta kitai ląstelei.

Bakteriją infekavus generalizuotą transdukciją atliekančiu fagu, visi bakterijos genai gali būti supakuojami vienoda tikimybe. Kito tipo transdukcijos atveju, vadinamu specializuota transdukcija, tik tam tikri bakterijų genai gali būti pernešami. Pavyzdžiui, fago DNR koduoja ląstelės-šeimininkės toksinų genus, tokius kaip, Corynebacterium diphteriae difterijos toksiną, Streptococcus pyogenes eritrozinį toksiną ar E. coli O157:H7 Shiga toksiną.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. “Microbiology. An Introduction”. 11th edition. p.234-235

Įdomioji biologija. Elektra mintančios ir ją generuojančios bakterijos

https://www.youtube.com/watch?v=rgkeckRSvV8
Šis "Įdomiosios biologijos" įrašas yra pasiūlytas vieno iš blog'o skaitytojo.

Gamtoje yra pačių įvairiausių mikrobų, kurie išgyvenimui naudoja pačias įvairiausias medžiagas. Kai kurių mikrobų dieta yra labai minimali, jiems reikia itin nedaug medžiagų. Yra ir tokių, kuriems nereikia nei deguonies, nei maisto. Viskas ko jiems reikia – gryna elektros energija.

Tokie mikrobai dažniausiai sutinkami dumblėtame jūrų dugne ar upių pakraščiuose. Juos surasti yra itin lengva: biologai šiuos mikrobus gali suvilioti į nuosėdas įbedę elektrodą (prašau, nedarykite to patys!). Arčiausiai esančios bakterijos netgi išsiaugina biologinius elektrinių laidų atitikmenis, kad kiti mikrobai, esantys toliau, galėtų prisijungti prie elektros šaltinio. Tai tikras gyvas elektros tinklas. Be to, panašu, kad ir mums gali būti naudos iš tokio mikroskopinio tinklo. Be kitų dalykų, toks tinklas gali suteikti efektyvų būdą naikinant toksines atliekas ir kitas aplinkos taršos formas.

Nors ir bakterijos, valgančios elektrą, gali atrodyti kaip iš mokslinės fantastikos scenarijaus, bet jų elgesys nėra toks egzotinis, kaip gali atrodyti. Visos Žemės gyvybės formos norint išgyventi naudoja energiją. Ši energija ateina iš elektronų, tų pačių mažyčių neigiamai įkrautų dalelių, kurie, keliaudami elektros laidais, sukuria elektros srovę.

Mes žmonės, kaip ir nemaža dalis kitų organizmų, šiuos elektronus gauname iš cukrų. Tam tikrų cheminių reakcijų metu, vykstančių ląstelėje, elektronai yra atpalaiduojami ir galiausiai patenka į deguonį, kurį gauname kvėpavimo metu. Ši elektronų srovė yra būtent tai, kas suteikia energijos mūsų organizmams. Tai reiškia, kad visos būtybės susiduria su tuo pačiu iššūkiu – nesvarbu, ar tai būtų vienaląstė bakterija, ar mėlynasis banginis, visiems reikia rasti elektronų šaltinį ir vietą, kur juos gali išmesti, jog užbaigtų ratą. Bet kas atsitinka, kai nėra deguonies, ant kurio yra permetami elektronai?

Geobacter metallireducens
Daug organizmų gyvena žemos deguonies koncentracijos aplinkoje, tad jie naudoja alternatyvius elektronų akceptorius (ne deguonį). Kai kurie „kvėpuoja“ metalais, o ne deguonimi. 1987 metais Derek Lovley ir jo laboratorijos komanda (Masačiusetso universitetas) aptiko pirmąsias tokias bakterijas Potomac upės krantuose, netoli Vašingtono. Šie mikrobai, Geobacter metallireducens, elektronus gauna iš organinių medžiagų ir perduoda juos geležies oksidams. Kitaip tariant, jie valgo atliekas (įskaitant ir etanolį) ir „kvėpuoja“ geležimi, o ne deguonimi. Be abejo, šis kvėpavimas nėra toks, kokį vykdome mes, nes bakterijos neturi plaučių. Vietoj to, bakterijos elektronus perduoda geležies oksidams, kurie yra už ląstelės. Jie tai atlieka per specialius į plaukus panašius laidus, kurie išsikiša iš ląstelės paviršiaus. Šie mažyčiai laidai veikia taip pat, kaip vario laidai, kai jie valdo elektros energiją. Šie laidai pavadinti mikrobiniais nanolaidais.

Geobacter bakterijos gali išgyventi naudodamos tokius energijos šaltinius, kurių negali naudoti dauguma kitų gyvybės formų. Jos netgi gali „valgyti“ taršą. Jos gali išsiliejusios naftos organinius junginius konvertuoti į anglies dioksidą ar tirpias radioaktyvių metalų formas, pavyzdžiui, plutonio ar urano, paversti netirpiomis, kurios ženkliai mažiau tikėtina, jog užterš požeminius vandenis. Be to, šių procesų metu jos generuoja elektrą.

1988 metais, praėjus metams, po Lovley atradimo, mikrobiologas Kenneth Nelson (Pietų Kalifornijos universitetas) atrado antrąją elektronus išskiriančią bakteriją. Jis tyrė keistą Oneida ežero (New York valstija) fenomeną. Ežere yra mangano, kuris reaguoja su oro deguonimi ir taip susidaro mangano oksidas. Tačiau, Nealson, ne taip kaip tikėjosi, nerado daug mangano oksido. To kaltininkas – Shewanella oneidensis. Ši bakterija kvėpuoja deguonimi, kai jo yra aplinkoje, bet dumblėtuose ežero krantuose, kur deguonies trūksta, ji elektronus perkelia mangano oksidui, taip gamindama elektros srovę. Ji gali naudoti ir kitus metalus, pavyzdžiui, geležį.

Tik neseniai suprasta, kaip šios bakterijos tai atlieka. Pažiūrėjus mikroskopu, buvo matyti, kad Shewanella turi ilgas ir plonas į plaukus panašias membranos ataugas. Pradžioje buvo manyta, kad šiomis ataugomis keliauja elektronai kaip vario laiduose ar panašiai kaip Geobater atveju. Tačiau paaiškėjo, kad šios ilgos ataugos yra laidžios tik išdžiovintos laboratorijoje. Vietoj to, Shewanella iš ląstelės elektronus išleidžia per transporto molekules, vadinamas flavinais, ir baltymus, įterptus į jų išorines membranas, vadinamus citochromais.

Aprašytos bakterijos kvėpuodamos gamina elektrą. Tačiau šios elektronus išleidžiančios bakterijos nėra vienintelės, kurias atrado mokslininkai.

Kol daugelis organizmų elektronus gauna iš angliavandenių, kai kurios bakterijos gali naudoti pačius gryniausius elektronus. Jos elektronus gauna iš mineralų ir akmenų. Tam tikru atžvilgiu, jos elektronus gauna tiesiai iš rozetės. Annette Rowe, Nealson studentė, vandenynų dugne nustatė šešias naujas bakterijų rūšis, kurios gali išgyventi vien naudodamos elektrą. Visos šios rūšys skyrėsi viena nuo kitos ir nei viena nebuvo panaši į Shewanella ar Geobacter.

Rowe surinko mėginius iš Catalina uosto dugno, parsinešė juos į laboratoriją ir įvedė elektrodus. Tada ji keitė elektrodų įtampą, kad pažiūrėtų, ar bakterijos „valgys“ elektrodo elektronus, ar perkels elektronus ant jų. Ji atrado, jog kai nėra jokio kito prieinamo maisto šaltinio, bakterijos tiesiogiai pasiima elektronus nuo elektrodų. Natūralioje aplinkoje, tikėtina, kad bakterijos elektronus gauna iš jūrų dugno geležies ir sieros. Rowe identifikuotos bakterijos priklauso Halomonas, Idiomarina, Marinobacter ir Pseudomonas (γ-Proteobacteria klasė) bei Thalassospira ir Thioclava (α-Proteobacteria klasė).

Dabar žinoma dar daugiau elektronus mylinčių bakterijų – tiesiog užtenka į žemę įbesti elektrodą ir greitai elektrodas bus padengtas bakterijomis. Eksperimentai rodo, jog šios bakterijos iš esmės valgo arba gamina elektrą.

Būtų nuostabu, jog egzistuotų tokios rūšys, kurios ir valgytų, ir išskirtų elektronus, tada jos galėtų egzistuoti naudodamos elektrą kaip vienintelį energijos šaltinį. Pasak Lovley, tokios rūšys jau yra atrastos. Kaip teigia jis, kai kurios Geobacter rūšys gali tiesiogiai perkelti elektronus elektrodams ir taip pat tiesiogiai priimti elektronus nuo jų. 2015 metais buvo atrasta, jog tokie mikrobai gali dirbti kartu ir perduodi elektronus vieni kitiems, susijungiant į elektros tinklą.

Vandenyno dugne gausu metano, kurį išskiria mikrobai, mintantys mirusių dumblių ir gyvūnų liekanomis. Jei šis metanas patektų į atmosferą, dujos sustiprintų globalinį atšilimą, bet laimei, yra mikrobų, kuriešią padėtį kontroliuoja. Skirtingos bakterijų ir archėjų rūšys susikooperuoja, jog suskaidytų metaną dar prueš jam patenkant į paviršių.

Gunter Wegener (Max Planck jūrų biologijos institutas, Bremen) susidomėjo, kaip vyksta šis procesas. Jis surinko mikrobų pavyzdžius, kurie gyvena vandenynų dugne 60°C temperatūroje ir pažiūrėjo į juos per mikroskopą. Jis pamatė plonas į laidus panašias struktūras, einančias iš bakterijų ląstelių. Nors jie tėra vos kelių nanometrų pločio, laidai yra keliolikos mikrometrų ilgio, taigi ilgesni nei pačios ląstelės. Pasirodo, kad bakterijos šiuos laidelius naudoja susijungimui su archėjomis. Archėjos naudoja metano elektronus, oksiduodamos dujas ir gamindamos karbonatą. Tada jos laidais elektronus perduoda partnerėms bakterijoms. Galiausiai, bakterijos perduoda elektronus sulfatams, generuodamos energiją, kurią ląstelės gali panaudoti.

Mokslininkai identifikavo genus, kurie koduoja šių nanolaidų gamybą. Tik kai yra pridedama metano, genai įsijungia ir susiformuoja nanolaidai tarp bakterijų ir archėjų. Tokia elektronų kooperacijos forma tarp dviejų tipų organizmų galėjo atsirasti prieš milijonus metų, kai Žemės atmosferoje nebuvo deguonies. „Vienas įdomiausių atradimų elektronus valgančių ir kvėpuojančių mikrobų srityje yra tarprūšinė elektronų pernaša“, - sako Lovley. „Mikroorganizmai susiriša kartu dalindamiesi elektronais, kad galėtų atlikti reakcijas, kurių vieni patys negalėtų atlikti“.

Lovley ir jo komanda rado ir kitas bakterijų bendruomenes, kurios perduoda elektronus vienos kitoms. Laboratorijoje, Lovley parodė, kad dvi Geobacter rūšys – G. metallireducens ir G. sulfurreducens – išgyvena formuodamos laidžius nanolaidų tinklus, per kurios gali keliauti elektronai. G. metallireducens pasiima elektronus iš etanolio ir juos tiesiogiai perduoda G. sulfurreducens, naudojant elektros tinklą.

Kai kurios bakterijos gali susijungti, formuodamos ilgus „kabelius“. Kabelių bakterijos gyvena jūrų dugne ir upėse, kur yra mažai deguonies. Be deguonies jos neturi kam perduoti elektronų. Kad susidorotų su šia problema, kabelių bakterijos, kurios priklauso Desulfobaceae šeimai, vienos ląstelės pločio formuoja grandines, kurios susideda iš tūkstančių ląstelių ir yra keliolikos centimetrų ilgio (didelis atstumas bakterijoms, kurios tėra 3 ar 4 mikrometrų ilgio), kol jos pasiekia aplinką, kurioje yra deguonies. Pirmoji grandinės bakterija, kuri gyvena mažos koncentracijos deguonies aplinkoje, pasiima elektronus iš sulfidų ir perduoda kitai grandinės bakterijai. Ši bakterija elektronus perduoda kitai ir t.t., kol galiausiai pasiekiama bakterija, kuri elektronus perduoda deguoniui. Tai reiškia, kad bakterijos, gyvenančios jūrų dugno dumblyne, kur nėra deguonies, gali pasiekti vandenyje ištirpusį deguonį, esantį aukščiau, paprasčiausiai „laikydamosi už rankų“ su kitomis bakterijomis.

Dar kitos bakterijos pasikliauja akmenimis ir mineralais. Buvo pastebėtos bakterijos, kurios prikimba prie laidžių medžiagų, pavyzdžiui, geležimi turtingo mineralo magnetito, kad perduotų elektronus viena kitoms per magnetitą. Manoma, kad gali susiformuoti magnetito grandinės, sujungdamos elektronus duodančias ir elektronus priimančias bakterijas.

Gali pasirodyti, kad šios bakterijos užima egzotines aplinkas, tačiau elektronais kvėpuojantys ir valgantys mikrobai sutinkami ir artimesnėse aplinkose. Pavyzdžiui, jie buvo rasti virduliuose, kurie konvertuoja alaus daryklos atliekas į metaną. Vienoje iš alaus daryklų, Geobacter metallireducens tiesiogiai perdavė elektronus kitai bakterijai Methanosaeta harundinacea, kuri perduoda elektronus anglies dioksidui. Yra tikėtina, kad žmogaus žarnyno bakterijos taip pat tokiu būdu sąveikauja su kitomis žarnyno bakterijomis.

Taigi, kodėl bakterijos įgavo tokią savybę? Gebėjimas išgyventi naudojant vien elektronus yra protingas būdas prisitaikyti, kai aplinka yra skurdi, pavyzdžiui, vandenyno dugnas ar giliai po žeme. Čia tiesiog nėra u-užtektinai energijos organizmams augti ar konkuruoti, bet yra užtektinai tam, kad galėtų egzistuoti. Jei gyvybė egzistuotų kitose Saulės Sistemos vietose, pavyzdžiui Marse ar Jupiterio palydove Europoje, būtų panašios skurdžios aplinkos. Astrobiologai, ieškantys nežemiškų gyvybės formų, turėtų susidomėti tokiais elektronais kvėpuojančiais ir elektronus valgančiais mikrobais. Ar nežemiška gyvybės forma egzituoja, ar ne, tokių bakterijų atradimas vis tiek yra neįtikėtinas atradimas. Viskas ko joms reikia, tai suteikti elektrodą, nuo kurio jos galėtų „kvėpuoti“ elektronais ir jos gali pavogti elektronus nuo toksinių atliekų, naftos išsiliejimo vietų ar radioaktyvių atliekų, valydamos atliekas ir generuodamos elektrą.

Neblogai vienaląsčiam organizmui.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • http://www.bbc.com/earth/story/20160613-there-are-microbes-that-eat-and-poo-nothing-but-electricity

Follow by Email