Розділ 1.Історико-морфологічна характеристика кульутри rhodospirillum rubrum
1.1 Історія дослідження морфології організму Rhodospirillum rubrum
Rhodospirillum rubrum - вид бактерій з типу протеобактерій, що одержують енергію шляхом фотосинтезу.
Зазвичай ці бактерій виявляють в анаеробних водних місцях проживання, на приклад бруд і стояча вода, хоча вони здатні виживати і в звичайних атмосферних умовах .
R.rubrum Є факультативним анаеробом, який тим не менш здатний переходити до спиртового бродінню при низьких концентраціях кисню або до аеробного диханню при його високих концентраціях. При аеробному зростанні фотосинтез генетично пригнічується і R. rubrum безбарвний. Однак, як тільки кисень буде вичерпано, R. rubrum негайно починає виробляти всі компоненти фотосинтетичного апарату, включаючи мембранні білки, бактеріохлорофіли, каротиноїди, тобто бактерія стає фотосинтетично-активною. Механізм такої швидкої репресії фотосинтезу та його поновлення досі незрозумілий. Фотосинтез R. rubrum відрізняється від фотосинтезу у рослин, оскільки він здійснюється не хлорофілом a, а бактеріохлорофілами.
При вивченні будови цих мікроорганізмів на ультра тонких зрізах за допомогою електронної мікроскопії зазвичай легко виявити в клітинах нуклеоїд. Крім того, вони містять розвинену систему мембран, деякі з них виконують функцію фотосинтезуючого апарату, У різних видів ці утворення, звані хроматофорами або тилакоїди, неоднакові і можуть мати форму пухирців, трубочок або пластинок, іноді правильних стопок . Для пурпурних бактерій показано, що хроматофори виникають в результаті розростання всередину клітин цитоплазматичної мембрани і бувають з нею пов'язані. Відносно походження фотосинтезуючого апарату зелених бактерій настільки чітких даних немає. Розмір і почасти форма фотосинтезуючих структур залежать від умов росту бактерій, в першу чергу від наявності світла і кисню.
Геоекологічним умови розвитку Rhodospirillum rubrum
Rhodospirillum rubrum бактерії в цілому можуть рости в досить широкому інтервалі значень рН, приблизно від 5,0 до 11,0, хоча для окремих видів і штамів оптимальне значення рН і зона, в якій можливий їх зростання, можуть істотно різнитися. Для багатьох представників пурпурних і зелених бактерій оптимальне значення рН 7,0-7,5. Але відомі види, для яких оптимально значення рН 6,0-6,5. Для прикладу , Rh. acidophila воно складає навіть 5,8. Навпаки, деякі штами Е. shaposhnikovii добре ростуть при рН 8,5 - 9,0.
Всі фототрофні бактерії ростуть на простих синтетичних середовищах, що полегшує виявлення їх потреби в окремих елементах. Обов'язковими компонентами середовищ, крім джерел вуглецю та азоту, природно, є фосфор, сірка, калій і магній у вигляді мінеральних солей. Встановлено також, що ці мікроорганізми потребують досить великій кількості заліза, але в порівнянні з рослинами проявляють значно меншу потребу в марганці. Зростання їх залежить від концентрації кальцію і наявності в невеликих кількостях таких елементів, як Mo, Co, Zn, Сі і, мабуть, інших.
Вище зазначалося, що Rhodospirillum rubrum зустрічаються як у прісних, так і в солоних водоймах, причому деякі Rhodospirillum rubrum ростуть при концентрації хлористого натрію більше 20%. Для інших видів, навіть виділених з дуже солоних водойм, вона більш низька. Зелені бактерії ростуть при концентрації NaCl ні, більше 10-11%. І для пурпурних і зелених бактерій, виділених з солоних водойм, присутність NaCl обов'язково. Так, морські штами ростуть звичайно добре в середовищі, що містить 1-2% NaCl.
Rhodospirillum rubrum ,як і всі фототрофні бактерії використовують як джерело азоту солі амонію. Здатність до асиміляційної нітратредукції проявляється досить рідко. Хоча деякі пурпурні бактерії, в першу чергу несірчані, використовують як джерела азоту сечовину і різні амінокислоти, а також ростуть на середовищах з пептоном. У багатьох пурпурних і зелених бактерій встановлена здатність фіксувати молекулярний азот.
Як джерело сірки можуть використовувати сульфати. Однак багато представників пурпурних серобактерий і зелені сіробактерії здатністю до асиміляційної сульфатредукции не володіють і можуть використовувати сірку лише у відновленій формі, у вигляді сульфіду, тіосульфату або цистеїну.
R. rubrum також є азотфиксуючою бактерією, тобто може експресувати і регулювати нітрогеназой, білковий комплекс, що каталізує перетворення атмосферного азоту в аміак. Через цього важливого якості, R. rubrum був обраний багатьма дослідниками в якості тестового об'єкта для розуміння схеми і регуляції (разом з іншими організмами). Саме на R. rubrum була вперше продемонстрована пост-трансляційна регуляція нітрогенази. Вона полягає в тому, що білок нитрогеназа модифікується шляхом ADP-рибозилювання по 101-му залишку аргеніна (Arg101) Такт реакція відбувається в відсвіт на наявність в середовищі так званих факторів відключення - L-глутаміну або аміаку, а також при настанні темряви Подібне поведінки мікроорганізму з'ясовно - набагато легше отримувати азот шляхом відщеплення аміногруп у глутаміну або засвоєнням аміаку. Відсутність же світла унеможливлює процес фотосинтезу і як наслідок - процес азотофіксації.
Ці дані дуже важливі, оскільки досі поділ пурпурних бактерій на сірчані і несірчані грунтувалося на їх здатності окислювати сірководень. Зараз такий принцип виявляється неприйнятним. Тому пропонується враховувати, що пурпурні сіркобактерії окислюють сірководень до сульфатів через утворення молекулярної сірки, а несерние пурпурні бактерії окислюють його тільки до сірки або до сульфатів, але без накопичення сірки як проміжного продукту. Не виключено, однак, що надалі ці критерії також не можна буде використовувати.
Rhodospirillum rubrum потребує в одному або декількох вітамінах групи: тіаміні, біотвані, нікотинової, парамінобензойной кислотах. Потреба у вітамінах не визначена лише у Rhodomicrobium vannielii, Rh.acidophila і Rhodospirillum tenue. Серед пурпурних і зелених сіркобактерії значно більше організмів, які не потребують вітамінах.
Проте є види і штами, що вимагають готового вітаміну В12. Таку потребу проявляють, наприклад, великі форми Chromatium (Chr.Okenii, Chr.Buderi та інші), а також Thiospirillum jenense.
Rhodospirillum rubrum є фотоавтотрофи . Для нихєдиним джерелом вуглецю може служити вуглекислота, зазвичай вноситься у вигляді бікарбонату. Бактеріх зросають лише при наявності органічних сполук.
Строго кажучи, до автотрофів не можна зараховувати і фотосинтезують бактерій, які потребують готових вітамінах. З іншого боку, слід зазначити, що фотогетеротрофний бактерії часто фіксують у великих кількостях вуглекислоту. У той же час всі автотрофні представники цих мікроорганізмів здатні використовувати готові органічні сполуки, хоча можливості в цьому відношенні у різних видів неоднакові.
Rhodospirillum rubrum ії, як правило, використовують менше число органічних сполук; найчастіше окремі органічні кислоти. У деяких видів можливості вичерпуються споживанням ацетату і пірувату.
На приклад, для несірчаних і деяких пурпурних сіркобактерій
(Е. shaposhnikovii, Chr.Vinosum) органічні сполуки можуть служити джерелами вуглецю і Н-донорами при фотоасиміляції вуглекислоти, а також в інших відновних процесах. Ряд видів здатний в темряві окисляти органічні сполуки з отриманням енергії, що забезпечує їх зростання. У зелених і багатьох пурпурних серобактерий здатності обмежуються використанням органічних сполук при фотосинтезі лише як додаткових (по відношенню до С02) джерел вуглецю.
Є факультативним анаеробом, який тим не менш здатний переходити до спиртовому бродінню при низьких концентраціях кисню або до аеробного диханню при його високих концентраціях. При аеробному зростанні фотосинтез генетично пригнічується і R. rubrum безбарвний. Однак, як тільки кисень буде вичерпано, R. rubrum негайно починає виробляти всі компоненти фотосинтетичного апарату, включаючи мембранні білки, бактеріохлорофілами, каротиноїди, тобто бактерія стає фотосинтетичний активній. Механізм такої швидкої репресії фотосинтезу та його поновлення досі незрозумілий. Фотосинтез R. rubrum відрізняється від такого у рослин, оскільки він здійснюється не хлорофілом a, а бактеріохлорофілами.
Дія іонізуючого випромінювання
Бактерія піддавалась дії летальних доз гамма-променів кобальту-60, Rhodospirillum rubrum, а саме гени характерні для іонізуючого випромінювання в організмі. Відбулося збільшення експресії генів , явище відоме як "час відновлення", що трапилось після даної обробки гамма-випромінюванням. Отримані данні , після аналізу експресії генів Rhodospirillum rubrum під дією гамма-випромінювання створює потенціал для подальшого мікробіологічного дослідження, які можуть призвести до прогресу в прикладних радіаційної стійкості в майбутньому .
Біорозкладання
Rhodospirillum rubrum входить до класу біорозкладаних організмів, що здатні в своєму метаболізмі використовувати поли-бета-гидроксилканоати (ПГА). Розробка цих досліджень в майбутньому можуть вирішити багато проблем, пов'язані з синтетичними пластмасами які не розкладаються , і котрі впливають негативно на навколишнє середовище. Методи дослідження даних властивостей організму описані в книжці Герберта В. Улмера «хроніка розкладу ПГА за участю Rhodospirillum rubrum» (1993). В своїх дослідженнях Улмер спостерігав дію 4-пентеновой кислоти (ПЕА) в якості поживного середовища для Rhodospirillum rubrum. При розміщенні бактерії в дане середовище, ПГА розкладалось на 3 повторювані субодиниці .
Відновлювальна енергія
Зростання стурбованості з приводу забруднення навколишнього середовища від спалювання викопного палива призвело до збільшення в дослідженні Rhodospirillum rubrum. Застосування R.rubrum як джерело водню для використання поновлюваних видів палива з сировиною в якості водню усуває декілька проблем, створених споживання викопного палива.
Як вже відомо людству , водень окислюється до води в якості продукту згоряння, на відміну від викопного палива, які створюють такі забруднювачі, як CO, CO2, SOx, NOx.
В мікробіологічному дослідженні, що було виконаноно Метью Россом, було встановлено, що Rhodospirillum rubrum забезпечує потенціал для поновлюваних джерел енергії, таких, як водневе паливо, за допомогою синтезу водню. Метаболізм бактерії дозволяє синтезувати високі рівні водню при високих швидкостях. Метью Росс запропонував нетрадиційний підхід со-культивування за для водню, який досягає високих значень, що є неможливим без використання со-культур. Спостерігалась висока продуктивність со-культури С.reinhardtii за наявності світла ,в той час як
R. ruburm був більш продуктивним при більш низьких інтенсивностях світла, що доводить переваги спільного культивування.
Морфологія бактерій Rhodospirillum rubrum
Клітинна структура і метаболізм
R. rubrum є універсальним організмом, який може отримувати енергію за допомогою різних механізмів. Дихання і фотосинтез взаємодіють, і їх діяльність залежить від наявності світла, хімічної енергії , наявності в середовищі різних складових. R. rubrum можуть рости в темряві з наявністю кисню або можуть зростати в безкисневому просторі, але в присутності кисню.
R. rubrum є представником граммнегативних спіральних бактерії. Організм виробив в процесі еволюції полярні джгутики, а отже вони рухливі. Довжина бактерій R. rubrum становить 3-10 мкм, шириною 0,8-1,0 мкм .
Бактерія здатна зростати в незалежності від наявності, або відсутності, повітря (як вже було зазначено вище) . При зростанні Rhodospirillum rubrum на дріжджовому агарі за температури в 26оС утворює колонії темно-фіолетового кольору.
В свою чергу, при зростанні в кисневому середовищі , утворює безбарвні клітини. Це можна пояснити властивістю організму пристосовуватись до умов життя , і в залежності від наявності світла включати в свій метаболізм фотосинтез , або хемосинтез.
Колонії Rhodospirillum rubrum. Мають точкові колонія має круглу форму, зігнутий профіль, та зубчатий край. Це граммнегативні Спірілли , які виробляють нерозчинний в воді червоний пігмент (рис.1)
Рис.1 : Колонії Rhodospirillum rubrum на дріжджовому агарі
Рис.2 Бактерії Rhodospirillum rubrum на електронному мікроскопі
Рис.2 Мікроскопування бактерії Rhodospirillum rubrum
Рис.3 Rhodospirillum rubrum , довжиною в : 4 мкм
ВИСНОВКИ
Таким чином , хоча геном Rhodospirillum rubrum був встановлений ще в 2011 році, перед вченими стоїть безліч питань.
R. rubrum є представником граммнегативних спіральних бактерії. Організм виробив в процесі еволюції полярні джгутики, а отже вони рухливі. Довжина бактерій R. rubrum становить 3-10 мкм, шириною 0,8-1,0 мкм .
Бактерія здатна зростати в незалежності від наявності, або відсутності, повітря
Колонії Rhodospirillum rubrum. Мають точкові колонія має круглу форму, зігнутий профіль, та зубчатий край. Це граммнегативні Спірілли , які виробляють нерозчинний в воді червоний пігмент
2. КЛАСИФІКАЦІЯ Rhodospirillum rubrum
2.1 Класифікація Rhodospirillum rubrum за 9-м виданням «Визначника бактерій Берджі»
Визначник Берджі систематизує всі відомі бактерії по сталим в практичній бактеріології найбільшого поширення принципам ідентифікації бактерій, заснованим на відмінностях в будові клітинної стінки і ставленні до фарбування за Грамом. Визнаник виділяє чотири основні категорії бактерій – Gracillicutes - види з тонкою клітинною стінкою, забарвлюються грамнегативною; firmicutes - бактерії з товстою клітинною стінкою, забарвлюються грампозитивної; Tenericute - бактерії, позбавлені клітинної стінки (мікоплазми та інші представники класу Mollicutes) і Mendosicutes- архебактерії (метан-і сульфатредуцирующие, галофільні, термофільні і архебактерії, позбавлені клітинної стінки).
Опис бактерій дається погрупам (секціях), до складу яких включені родини, роди і види; в деяких випадках до складу груп входять класи і порядки. Патогенні для людини бактерії входять в невелике число груп.
Відповідно до загальних положень визначника , бактерія Rhodospirillum rubrum належить до відділу Gracilicutes , 10 групи (фотосинтезуючі бактерії) : аноксигенні фототрофні бактерії з наявним безкисневим фотосинтизом, пурпурні несірчані бактерії.
Царство: Bacteria Тип: Proteobacteria Клас: Alphaproteobacteria Порядок: Rhodospirillales Родина: Rhodospirillaceae Вид: Rhodospirillum
2.2 Сучасна філогенетична класифікація
Молекулярна філогенетика намагається визначити швидкість і відмінності змін в ДНК і білках щоб відновити еволюційну історію генів і організмів. Два загальні підходи можуть використовуватися щоб отримати цю інформацію. У першому підході, учені використовують ДНК, щоб вивчати еволюцію організму. У другому підході, різні організми використовуються, щоб вивчати еволюцію ДНК. У будь-якому підході загальна мета — зробити висновок щодо процесу еволюціх організму по змінам ДНК і процесу молекулярної еволюції по картині змін ДНК
Відповідно до нової класифікації, пурпурні і зелені бактерії об'єднуються в порядок Rhodospirillales, що включає два подпорядкі: Rhodospirillineae і Chlorobiineae. Перший з них являє пурпурних, а другий зелених бактерій. Таке підрозділ заснований на певних відмінностях у складі хлорофілах , утворених цими мікроорганізмами, і корелює з іншими їх властивостями. Підпорядок Rhodospirillineae складається з двох родин: Rhodospirillaceae і Chromatiaceae. Сімейство Rhodospirillaceae об'єднує мікроорганізми, широко відомі під назвою несірчаних пурпурних бактерій, а сімейство Chromatiaceae - мікроорганізми, звані пурпуровими сірчаними бактеріями або пурпурними сіркобактеріями. Цей поділ ґрунтується на деяких відмінностях їх фізіологічних властивостей, в першу чергу на ставленні до сірководню.
Рід Rhodospirillum включає 5 видів (R. rub-rum, R. tenue, R. fulvum, R. molischianum, R. photometricum). З них найбільш відомий вид R. rubrum. Всі представники даного роду мають звиту форму клітин, але розміри їх різні. Рухливі. Рід Rhodospirillum включає 5 видів (R. rub-rum, R. tenue, R. fulvum, R. molischianum, R. photometricum). З них найбільш відомий вид R. rubrum. Всі представники даного роду мають звиту форму клітин, але розміри їх різні. Рухливі.
До останнього часу вважали, що несірнчані пурпурні бактерії сірководень НЕ окислюють і лише для одного виду (Rh. Palustris) була показана здатність окисляти тіосульфат. Проте нещодавно встановлено, що якщо підтримувати низьку концентрацію сульфіду в проточних умовах культивування, то такі несірні Rhodospirillum rubrum, окислюють його і ростуть. При цьому Rh.palustris утворює сульфати. У решти видів окислення сульфіду закінчується утворенням молекулярної сірки, яка виявляється в середовищі.
ВИСНОВОК
Отриманні дані важливі, оскільки досі поділ пурпурних бактерій на сірчані і несіркові грунтувався на їх здатності окислювати сірководень. Зараз такий принцип виявляється неприйнятним. Тому пропонується враховувати, що пурпурні сіркобактерії окислюють сірководень до сульфатів через утворення молекулярної сірки, а несіркові пурпурні бактерії окислюють його тільки до сірки або до сульфатів, але без накопичення сірки як проміжного продукту. Не виключено, однак, що надалі ці критерії також не можна буде використовувати.
Макромолекулярні дані, під якими мається на увазі послідовності генетичного матеріалу (ДНК) і білків, накопичуються все швидкими темпами завдяки успіхам молекулярної біології. Для еволюційної біології швидке накопичення даних послідовностей цілих геномів має значну цінність, тому що сама природа ДНК дозволяє використовувати його як «документ» еволюційної історії. Порівняння послідовностей ДНК різних генів між різними організмами можуть сказати вченому багато нового про взаємини організмів, що не можуть інакше бути виявлено засновуючись на морфології, або зовнішньої формі організмів і їз внутрішньої структурі.
Оскільки геноми еволюціонують поступовим накопиченням мутацій, кількість відмінностей послідовності нуклеотидів між парою геномів різних організмів повинна вказати, як недавно ті два геноми розділили загального предка. Два геноми, що відхилилися в недавньому минулому, повинні мати менші відмінності, ніж два геноми, чий загальний предок дуже давній. Тому, порівнюючи різні геноми один з одним, можливо отримати еволюційні взаємини між ними, головне завдання молекулярної філогенетики.
Молекулярна філогенетика намагається визначити швидкість і відмінності змін в ДНК і білках щоб відновити еволюційну історію генів і організмів. Два загальні підходи можуть використовуватися щоб отримати цю інформацію. У першому підході, учені використовують ДНК, щоб вивчати еволюцію організму. У другому підході, різні організми використовуються, щоб вивчати еволюцію ДНК. У будь-якому підході загальна мета — зробити висновок щодо процесу еволюціх організму по змінам ДНК і процесу молекулярної еволюції по картині змін ДНК.