Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Mikrosvět

Stále se objevují noví zástupci mikrobiální říše
 |  5. 11. 1997
 |  Vesmír 76, 612, 1997/11

Lidé už jsou tak zařízeni, že je fascinuje a ohromuje spíše něco velkého: stojíme v úžasu před Eiffelovkou, zatímco rodná chaloupka nás tak trochu dojímá, slon vzbuzuje na první pohled úctu, ale po broucích šlapeme, aniž bychom na ně vůbec pomysleli. Přitom daleko za hranicemi možností našeho zraku se rozkládá svět, neobyčejně pestrý a dynamický, který pro jeho rozměry téměř úplně opomíjíme. Svět, z něhož naši samolibou pozornost upoutají pouze ti zástupci, kteří nám nějak škodí, nebo naopak pomáhají. Málokdo si dovede představit neuspořádaný rozruch na povrchu svého těla či listu stromu, který pod mikroskopem připomíná dobře zásobenou zoologickou zahradu s bohémským panem ředitelem. V našich ústech probíhá po každém jídle mohutné osídlování zubů – ostrovů: první kolonizátoři připraví podmínky pro další invaze, miliony jedinců nejrůznějších druhů spolupracují, spějí k rovnováze, ovšem pak dojde k přírodní katastrofě, neboť vězte, že čištění zubů rovná se výbuchu Krakatau (obr. obrázek). Jediná špetka půdy si počtem druhů i složitostí vztahů nezadá s rostlinstvem a živočišstvem tropického deštného pralesa. Na kterémkoli místě Země, v každém hloubkovém vrtu do ledovce či do mořského dna, objevujeme nové a nové představitele neznámého neviditelného světa.

Co o tomto mikrosvětě vlastně víme? Jednoznačně to, že je pro náš makrosvět zcela nezbytný. Neustálý koloběh chemických prvků, jejichž zdroje na planetě nejsou nevyčerpatelné, je zajišťován zejména mikroskopickými organizmy – snad každý atom biosféry, ale i atomy mnohých kovů, vápence či síry někdy prošel či projde planetárním žaludkem tvořeným mikroby. Nezanedbatelnou část atmosférického kyslíku vytvářejí vedle zelených rostlin i biliony mikroskopických sinic, vznášející se ve všech vodách od oceánu po kaluže. A co ještě víme?

Rozdělení živého světa

Od toho okamžiku, kdy člověk nahlédl do mikroskopu a uviděl tam buňky, začal rozlišovat dva základní buněčné typy. Eukaryotická buňka se vyznačuje tím, že je poměrně veliká, složitá, má dobře rozlišené jádro oddělené membránou a v cytoplazmě řadu organel nejrůznějších tvarů a funkcí. Prokaryotická buňka byla shledána malou, jednoduchou, bez ohraničeného jádra a rozlišených organel. Do říše prokaryont byly zařazeny bakterie a sinice, eukaryonta pak zahrnují vše ostatní a jsou rozdělena na čtyři říše.

V 60. letech se začal prosazovat názor, že dva typy velkých, membránou ohraničených organel, totiž chloroplasty a mitochondrie, jsou původně prokaryotické buňky, které byly kdysi dávno v minulosti pozřeny a ve svém hostiteli tak zdomácněly, že si dnes život jeden bez druhého nedovedou představit. Tato endosymbiotická hypotéza je dnes dobře doložena a všeobecně uznávána. Mitochondrie a chloroplasty mají vlastní, byť degenerovanou DNA a proteosyntetický aparát, jsou nápadně příbuzné některým současným bakteriálním druhům a jsou obaleny dvěma cytoplazmatickými mebránami rozdílného charakteru: vnitřní membrána je spíše bakteriální, vnější membrána je hostitelova. Mimoto byly v nedávné době objeveny některé prapodivné jednobuněčné organizmy, které vypadají jako mezistadia procesu zdomácňování mitochondrií, a naopak existují nepochybně eukaryotické organizmy, které mitochondrie nemají (i když těžko říci, zda proto, že je nikdy neměly, nebo proto, že je ztratily).

Změnu v náhledu na svět rozdělený na eukaryonta a prokaryonta přinesly výsledky porovnání molekul rRNA (ribonukleová kyselina tvořící ribozomy) nejrůznějších organizmů. Bylo zjištěno, že všechny do té doby bezproblémové prokaryotické organizmy lze zařadit do dvou zásadně odlišných skupin. V dnešní době dělíme veškeré organizmy do tří skupin: Eukarya (označované i jako eukaryonta), Bacteria (eubakterie) a Archaea (archebakterie). Na základě porovnání rRNA (lze ale použít i jiné úseky nukleových kyselin) je možno sestavit molekulární strom života, kde relativní délka jednotlivých větví odpovídá počtu záměn v porovnávaných sekvencích (obr.obrázek). Z obrázku jednoznačně vyplývá, že tři skupiny, které jsou v učebnicích rozlišovány jako odlišné říše (živočichové, rostliny, houby), jsou si ve skutečnosti velice blízce příbuzné a zásadní rozdíly najdeme na zcela jiné úrovni – mezi jednobuněčnými eukaryonty (prvoci, některé skupiny řazené mezi houby), bakteriemi a archebakteriemi.

Představa vzniku eukaryont endosymbiózou by mohla vést k názoru, že eukaryotická buňka je vlastně jen další způsob existence bakterií, další z mnoha triků bakteriálních buněk, jak přežít. Nicméně eukaryotické jádro a jeho komponenty (zejména enzymy metabolizmu DNA), které nemají s bakteriemi nic společného, tomu neodpovídají. Naopak, způsob zacházení s DNA, její struktura a enzymy jejího metabolizmu jsou zde velmi podobné jako u archebakterií. Protože archebakterie, podobně jako bakterie, nemají rozlišené jádro, zdá se, že oddělení membránou není vůbec nezbytnou podmínkou pro „eukaryotické“ fungování jádra. Důležitým závěrem těchto i dalších poznatků je, že eukaryotické buňky vznikly ze společného archaeeukaryotického předka, a to zřejmě podstatně dříve, než došlo k první endosymbiotické události.

Metabolická diverzita

Molekulární odlišnost organizmů do značné míry odráží i diverzitu metabolickou (viz rámeček na str. 613). Eukaryonta se naučila dokonale dva způsoby – fotolitotrofii (fotosyntéza u zelených rostlin, text v rámečku C.) a chemoorganotrofii (oxidace organických látek, v tomto případě kyslíkem, rámeček, text B.6). Tyto typy metabolizmu najdeme u všech eukaryont, i když s drobnými obměnami v případě prvoků a hub. Ti jsou totiž velmi často schopni i metabolizmu, při němž nepotřebují kyslík. Stojí za upozornění, že v podstatě veškerý základní energetický metabolizmus provozují v eukaryontech právě bakteriální symbionti – chloroplasty a mitochondrie. Výjimkou jsou ovšem mnohé druhy prvoků, které získávají energii zcela neobvyklým způsobem a používají k tomu i zcela neobvyklé organely. Možná, že právě u prvoků jsou obměny metabolizmu dost velké, ale pak jsou bohužel malé naše znalosti o nich.

Podobně metabolicky jednotná, i když z našeho pohledu dost extremistická, je i skupina označovaná jako Archaea. Je rozdělena do tří skupin, dobře definovaných Crenarchaeota a Euryarchaeota, a teprve nedávno navržené a dosud zpochybňované skupiny Korarchaeota. Mezi Euryarchaeota patří organizmy produkující metan (rámeček, text A.6, B.5), mezi Crenarchaeota organizmy s metabolizmem využívajícím síru (rámeček, text B.4). Všechna Crenarchaeota jsou extrémní termofilové a acidofilové, kterým se výborně daří třeba v horkých sirných pramenech – např. druh Pyrolobus fumaris žije a rozmnožuje se ve 113 oC, což je nejvyšší teplota, v níž byly prokázán život. Přesto jsou Crenarchaeota na molekulární a buněčné úrovni příbuznější eukaryontům než například běžná střevní bakterie Escherichia coli. Archebakterie jsou všeobecně nejméně známou skupinou mikroorganizmů a nejenom proto, že byly identifikovány teprve nedávno. Jejich svět je nám zcela vzdálený, většinou obývají neobvyklá extrémní prostředí, a navíc žádný z dosud popsaných archebakteriálních druhů není patogenní.

Bakterie jsou nám mnohem bližší. Běžně se setkáváme s nimi nebo s následky jejich činnosti, anginou počínaje a jogurtem konče. Bakterie jsou také jednoznačně na prvním místě v neúnavném vynalézání způsobů, jak získat energii a živiny nezbytné k přežití. Všechny typy metabolických drah jsou využívány nějakým bakteriálním druhem, a existuje nepochybně ještě řada dalších možností, které jsme dosud neobjevili. Známe pravděpodobně teprve malou část mikroorganizmů obývajících tuto planetu a jen zvolna získáváme nástroje, které nám umožní naše znalosti rozšířit.

Odkrývání světa mikrobů

Největší překážkou poznávání mikroorganizmů je skutečně jejich velikost, přesněji jejich malost. Je nemožné popisovat jedince, vždyť v rámci několika tisícin milimetru i ten nejzkušenější mikrobadatel rozliší jen několik málo morfologických znaků, a studium metabolizmu se už vůbec nedá provést s jednou malou buňkou. Jediný způsob, jak poznat nový druh bakterií, archebakterií či jakýchkoliv dalších mikroorganizmů, je pomocí čisté kultury, tedy populace buněk jediného typu, očištěné od ostatních druhů mikroorganizmů. Jenže, prohlédněte si ještě jednou rámeček na str. 613 a zkuste si představit, jak pro každý typ metabolizmu vytváříte speciální živné médium, které obsahuje všechny látky potřebné pro neznámého mikroba (což mohou být nejen běžné prvky, ale třeba i vitaminy či některé aminokyseliny, které si daný organizmus nedovede sám vyrábět) ve správné koncentraci a ve správných vzájemných poměrech, s vyhovujícím pH, a zvolte optimální teplotu kultivace! U neznámého mikroba musíme připravovat různé varianty médií a zkoušet a zkoušet... třeba by stačilo jenom trochu zvýšit teplotu kultivace... Bohužel, už mnohokrát se v minulosti ukázalo, že fantazie vědců je poněkud omezenější než fantazie přírody. Situace se ještě komplikuje tím, že mnohé bakterie jsou symbiotické (stejně jako mnozí prvoci), potřebují ke svému životu ještě nějaký další organizmus. V poslední době se stále častěji objevuje v odborné literatuře termín konsorcium, který se používá pro označení společenstva mikroorganizmů, jež je pro většinu členů konsorcia zároveň jediným prostředím, v němž mohou přežívat. Vztahy v rámci konsorcia jsou neobyčejně složité a provázané, někteří členové např. vyrábějí látku, bez níž se jiní členové konsorcia neobejdou, společně udržují optimální pH, koncentraci různých složek molekul a mnohdy i teplotu.

Biodivezita mikroorganizmů je v odborné i populární literatuře značně opomíjena, a budiž řečeno, že právem. V současné době dovedeme kultivovat v čisté kultuře asi 5 000 druhů bakterií a archebakterií, což je podle odhadů odborníků asi 1 % celkového počtu druhů těchto dvou skupin, a nebo taky 10 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,01 % … každý ať doplní podle svého naturelu. A přece se v posledních letech objevuje možnost detailního studia mikrosvěta – bez mezikroku kultivace můžeme studovat rovnou DNA nebo RNA, kterou nalezneme ve vzorku půdy, vody či kdekoliv jinde.

Nové metodické možnosti (viz rámeček obrázek) začínají být hojně využívány a dosaženými výsledky jsou zaskočeni nejen mikrobiologové. Uveďme jen několik příkladů. Podle analýzy molekul DNA obsažených v mořské vodě se zdá, že archebakterie zdaleka nejsou jen ušlápnutými extremisty, kteří obývají pouze ta místa, kde už nikdo jiný být nechce. Zhruba 30–50 % mořských planktonních mikroorganizmů vykazuje podle analýzy nukleových kyselin archebakteriální znaky. Podle dosud jen částečně publikovaných výsledků by to podobně mělo vypadat i v klasických středoevropských rybnících. Tyto vodní archebakterie byly právě vyčleněny do výše zmíněné nové archebakteiální skupiny Korarchaeota. Její metabolické vlastnosti pochopitelně neznáme, ale rozhodně jsou, na rozdíl od blízce příbuzných crenarchaeot, mezofilní až psychrofilní (žijí ve středních až nízkých teplotách). Naproti tomu analýza DNA získané z vody termálních pramenů vykazuje překvapivý poměr 50:1 ve prospěch bakterií oproti archebakteriím. Každý důkladnější rozbor DNA izolované z pramenů Yellowstonského národního parku znamená odhalení nejméně jednoho naprosto odlišného typu bakterií či archebakterií. Podobné výsledky přinášejí i hlubinné vrty. Zatímco r. 1989 se v rámci bakterií rozlišovalo 12 hlavních taxonomických skupin, k dnešnímu dni se jejich počet pohybuje (i v pracích konzervativnějších vědeckých pracovníků) kolem 25. Objevují se dokonce hlasy, že snad ani počet hlavních skupin – Eucarya, Bacteria a Archaea – nemusí být konečný.

Takže až si příště budete čistit zuby, až se budete koupat v rybníce nebo až budete obdivovat bublající černé bahno sirných pramenů, vzpomeňte na ten neviditelný, nepostradatelný a nepoznaný svět mikrobů. Možná jedna z buněk, které jste omylem polkli při kraulování, je zástupcem dosud neznámé mikrobiální říše.

METABOLIZMUS

Buněčný metabolizmus zahrnuje procesy získávání energie i procesy, při nichž se za spotřeby energie syntetizují organické látky.

Pro syntetické procesy je klíčový zejména zdroj uhlíku, neboť základem organických molekul je vždy uhlíkový řetězec. Podle zdroje uhlíku dělíme organizmy na litotrofní, které získávají uhlík z CO2 , a organotrofní, které získávají uhlík z organických sloučenin. Kromě toho se organizmy často značně liší ve svých schopnostech využívat různé zdroje ostatních biogenních prvků.

Podle způsobu získávání energie dělíme organizmy na fototrofní, které dovedou převádět energii slunečního záření na energii chemických vazeb, a chemotrofní, které energii získávají oxidací organických či anorganických látek. Při oxidaci je elektron postupně předáván z molekuly na molekulu, přičemž se uvolňuje využitelná energie, která je tím větší, čím větší je energetický rozdíl mezi molekulou donoru (primárního zdroje elektronu) a akceptoru (konečného příjemce). Donorem a akceptorem elektronu mohou být různé organické či anorganické molekuly. Při oxidaci se molekuly donoru i akceptoru pochopitelně mění: donor odevzdáním elektronu, akceptor jeho přijetím. Vzniklé produkty buňka buď využívá v dalších procesech, ukládá v cytoplazmě, nebo vylučuje do vnějšího prostředí.

Metabolický proces fototrofie je označován jako fotosyntéza. Při fotosyntéze probíhá také předávání elektronů mezi molekulami přenašečů, elektron se však získává fotolýzou (rozštěpením molekuly prostřednictvím energie fotonu), nikoliv oxidací. Rozlišujeme dva značně rozdílné typy fotosyntézy, rostlinného (sinicového) typu a bakteriálního typu.

A. CHEMOLITOTROFIE: zdrojem uhlíku je CO2, energie je získávána oxidací

Tento typ metabolizmu nalézáme pouze u bakterií a archebakterií. Uhlík vestavují do nově vytvářených organických molekul většinou Calvinovým cyklem, ale u řady druhů není tato část metabolizmu objasněna. V dýchacím řetězci je většinou konečným akceptorem elektronů kyslík, jejich donorem může být:

1) amoniak, produktem jsou dusitany či dusičnany (Nitrosomonas),

2) dusitany, produktem jsou dusičnany (Nitrobacter),

3) síra či redukované sloučeniny síry (sirovodík), produktem jsou sírany, siřičitany či síra (Thiobacillus),

4) sloučeniny železa či manganu, produktem je hydroxid železitý nebo manganitý (Thiobacillus ferrooxidans, Siderocapsa),

5) vodík, produktem je peroxid vodíku nebo voda (Pseudomonas),

6) metan, produktem je oxid uhličitý a voda.

U některých druhů je konečným akceptorem elektronů CO2 a donorem vodík (tyto molekuly mohou vznikat rozkladem kys. mravenčí), produktem je metan (Methanobacterium).

B. CHEMOORGANOTROFIE: zdrojem uhlíku jsou organické látky, energie se získává oxidací

Metabolizmus obecně nejznámější, typický pro všechny živočichy, houby a řadu bakterií. Zdrojem uhlíku i energie (tedy i donorem elektronů pro oxidaci) jsou organické látky. Energeticky nejvýhodnější je glukóza, ale organizmy dovedou využívat celou škálu molekul, od metanu přes heterocykly k dlouhým uhlíkatým řetězcům ropy. Bakterie i houby s tímto typem metabolizmu zpravidla využívají i další možnosti. Typické je zejména kvašení (fermentace), tedy anaerobní proces dehydrogenace organických látek, kdy konečným akceptorem elektronů jsou také organické látky. Kvašením vzniká např. etanol či kyseliny mléčná a máselná.

V této skupině nalézáme řadu variant konečného akceptoru elektronů v dýchacím řetězci. Jsou to zejména:

1) dusičnany, produktem jsou v tomto případě dusitany (Proteus vulgaris),

2) dusičnany či dusitany za vzniku NH3, N2 či N2O tzv. denitrifikující bakterie (Paracoccus denitrificans),

3) kyslíkaté soli selenu, vizmutu, teluru a dalších prvků (Corynebacterium diphteriae),

4) sírany a ostatní sirné sloučeniny, produktem je většinou sirovodík, donorem elektronů ovšem v tomto případě může být nejen organická látka, ale i H2 (Desulfovibrio),

5) oxid uhličitý a uhelnatý, produktem tohoto procesu je metan (Methanococcus),

6) kyslík, produktem je voda (my všichni).

C. FOTOLITOTROFIE: zdrojem uhlíku je CO2, zdrojem energie je sluneční záření

Uhlík je do organických molekul vestavován procesem asimilace (například Calvinovým cyklem). Elektrony se nejčastěji získávají fotolýzou vody, odpadním produktem je kyslík. Typickým zástupcem jsou zelené rostliny, patří sem však také celá jedna skupina bakterií označovaná jako sinice. Tyto organizmy využívají i aerobní chemoorganotrofii.

Některé fotolitotrofní bakterie používají jako zdroj elektronů molekulový vodík nebo sirovodík. Odpadním produktem posledně jmenovaných je síra. Tyto bakterie jsou striktně anaerobní a velmi často mixotrofní, tedy jsou schopny fotoorganotrofie i fotolitotrofie.

D. FOTOORGANOTROFIE: zdrojem uhlíku jsou organické látky, energii poskytuje sluneční záření

Zdrojem elektronů mohou být buď jednoduché (většinou dvouuhlíkaté) organické látky, H2 nebo sirovodík a síra. Tento typ metabolizmu najdeme u anaerobních bakterií, které jsou velmi často mixotrofní.

Vedle těchto základních metabolických drah nalezneme zejména u skupin Bacteria a Archaea řadu specialit, jako je pro život na Zemi velmi důležitá fixace vzdušného molekulového dusíku (hlízkové bakterie, sinice a další) nebo tzv. bakteriorodopsinová fotosyntéza, což je další fototrofní metabolická dráha, která se vyskytuje u extrémně halofilních (slanomilných) chemoorganotrofních mikroorganizmů jako doplňkový typ získávání energie.

METODY UMOŽŇUJÍCÍ STUDIUM DOSUD NEKULTIVOVATELNÝCH MIKROORGANIZMŮ

Studium nukleových kyselin bez mezikultivace čisté kultury příslušných druhů bylo umožněno rozvojem technik molekulární biologie. Nejčastěji bývají využívány dva postupy:

1. Sekvenční analýza

Z půdy, vody či jakéhokoliv jiného přírodního materiálu je izolována veškerá DNA. Polymerázovou řetězovou reakcí (PCR) jsou namnoženy fragmenty určitého typu, např. úseky, které u všech bakterií kódují rRNA. U získaných fragmentů stanovíme pořadí bazí a jednotlivé sekvence počítač roztřídí podle námi zadaných kritérií. Sekvenční analýza nám poskytuje poměrně detailní informace, které však mnohdy zatím nedovedeme vyhodnotit. Ve většině posledních výzkumů, které vedly k odhalení nových bakteriálních typů i k získání řady poznatků z ekologie mikroorganizmů, byla využita sekvenční analýza.

2. Reasociační (hybridizační) analýza

Reasociační analýza využívá schopnosti dvouřetězcové DNA rozpojovat se při vyšší teplotě na dvě komplementární (doplňkové) jednořetězcové molekuly, které se však mohou znovu spojovat. Rychlost znovuvytváření dvouřetězců reasociace závisí zejména na dvou faktorech:

a) na teplotě při teplotě jen o málo nižší, než je teplota rozpojování dvouřetězce DNA, spolu reasociují jen dokonale komplementární řetězce, s dalším snižováním teploty můžeme získat i částečně nekomplementární dvouřetězce,

b) na koncentraci komplementárních řetězců, tedy vlastně na tom, jak velká je pravděpodobnost, že se dva komplementární řetězce ve směsi najdou čím je vzorek rozrůzněnější, tím menší je pravděpodobnost reasociace.

Pro analýzu je veškerá DNA získaná z jakéhokoliv přírodního materiálu mechanicky rozstříhána na fragmenty přibližně stejné délky. Fragmenty zahřátím rozpojíme na jednořetězce a postupně ochlazujeme. Rychlost reasociace, kterou měříme, nám může alespoň nepřímo napovědět procentuální podíl sobě odpovídajících DNA a tím i počet druhů ve studovaném vzorku. Reasociační analýzy se používají k rychlému odhadu mikrobiální diverzity ve velkém počtu vzorků. Podle těchto analýz např. každý gram půdy obsahuje 4000  5000 různých mikrobiálních druhů.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Mikrobiologie

O autorovi

Zuzana Storchová

Prof. Zuzana Storchová, Ph.D., (*1970) v roce 1989 obsadila 17. až 20. místo biologické olympiády. Vystudovala PřF UK Praha. Po doktorandském studiu u Vladimíra Vondrejse zamířila na dva roky do Curychu, kde se věnovala studiu postreplikativních oprav DNA. Od roku 2001 do roku 2007 pracovala na Dana Farber Cancer Institute/Harvard Medical School v Bostonu na projektu zaměřeném na studium polyploidie v kvasinkách. Od r. 2008 vede pracovní skupinu v Ústavu Maxe Plancka pro biochemii v Martinsriedu u Mnichova. Její skupina studuje vliv abnormálního počtu chromozomů na lidské buňky. V roce 2016 byla jmenována profesorkou molekulární genetiky na Technické univerzitě v Kaiserslauternu.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné