ZE ŽIVOTA BAKTERIÍ. prûhledy

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 1

ZE ŽIVOTA BAKTERIÍ

prÛhledy

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 3

Ze života bakterií Jiří Schindler

ACADEMIA Praha 2008

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 4

KATALOGIZACE V KNIZE – NÁRODNÍ KNIHOVNA ČR Schindler, Jiří Ze života bakterií / Jiří Schindler. – Vyd. 1. – Praha : Academia, 2008. – 144 s., 16 s. barev. obr. příl. : il. – (Průhledy ; sv. 5) ISBN 978-80-200-1666-9 (brož.) 579.81/.87 * 616.9-022.7 - bakterie - bakteriologie - bakteriální nemoci - populárně-naučné publikace 579 – Mikrobiologie [2]

© Jiří Schindler, 2008 ISBN 978-80-200-1666-9

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 5

5

Obsah Předmluva ...................................................................................................................7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

O bakteriích a lidech .....................................................................................9 Co jsou vlastně bakterie? ..........................................................................11 Jak se bakterie třídí a zařazují do systému.....................................16 Sex bakterií ......................................................................................................19 Pohyb bakterií ...............................................................................................24 Putování k potravě a útěk od jedů .....................................................34 Kolonie bakterií jako organizovaný útvar mnoha buněk .........38 Bakterie spolu hovoří ................................................................................52 Život napůl. Spící bakterie, nebo zombie? ......................................59 Biofilm ................................................................................................................61 Nepřátelé bakterií. Nepřátelé? ............................................................74 Normální flóra člověka .............................................................................82 Nástroje patogenity .....................................................................................85 Pozoruhodné druhy bakterií ...................................................................94 Určení původce onemocnění ................................................................108 Člověk ve světě bakterií ........................................................................113 Rub a líc antibiotik .....................................................................................117 Homunculus, golem, Mycoplasma laboratorium ........................134

Poděkování .............................................................................................................137 Rejstřík .....................................................................................................................139

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 6

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 7

7

Předmluva Jak a co psát o bakteriích Není snadné napsat struãné pojednání o tématu tak obsáhlém, jako jsou bakterie. Byl to pro mne úkol o to tûωí, Ïe jsem musil vystaãit s nabídnut˘m rozsahem urãen˘m zamûfiením edice a zároveÀ knihu napsat tak, aby jí porozumûl i ãtenáfi laik. Proto mne pfii rozhodování o jejím obsahu a formû provázely pochybnosti. Obsah následujících kapitol je zcela subjektivní, stejnû jako v˘bûr z mnoha okouzlujících témat spojen˘ch s Ïivotem bakterií; vlastní pfiístup je uplatnûn, i pokud jde o rozsah a hloubku zpracování jednotliv˘ch kapitol. Vynechána jsou témata jako pamûÈ bakterií, sociální chování bakterií Myxococcus xanthus, anerobióza, neukonãená debata o definici druhu, rodina nekódujících ribonukleov˘ch kyselin, bakteriální toxiny, apoptóza, rozli‰ování uvnitfi bakteriálního druhu, klony, stres bakterií a funkce takzvan˘ch provozních genÛ. Vûdecké bádání pfiiná‰í stále nová a sloÏitûj‰í fakta, jejichÏ srozumitelnost a v˘znam b˘vají skryty za detaily. Jeden z koryfejÛ americké mikrobiologie, Moselio Schachter, to vyjádfiil takto: „Souãasnû s tím, jak se vûdecké práce více a více specializují, stávají se mimo svÛj obor stále více nestravitelnûj‰í. PfiíleÏitostní ãtenáfii, jichÏ je vût‰ina, se tak v odborn˘ch ãláncích tûÏko dostávají k jádru vûci.“ S problémem popularizace specializovaného vûdního oboru jsem se pfii psaní této knihy pot˘kal i já. Stál jsem pfied úkolem najít proporci mezi hloubkou a exaktností pojednání, tak aby ãtenáfii pfiineslo co nejúplnûj‰í poznatky. PoloÏí-li se totiÏ na jednu misku vah snaha o vûcnou pfiesnost a na druhou úãinnost oslovení, tíha jedné oslabuje druhou. To znamená, Ïe ve prospûch pfiístupnosti textu je tfieba ‰etfiit s odborn˘mi termíny, vzdát se vûdecké dÛkladnosti a mnoha detailÛ. Dilema vûdce pí‰ícího pro vefiejnost vystihl pûknû v ãlánku „O nesrozumitelnosti“ uvefiejnûném v ãasopisu Vesmír (únor 2007) Ivan Havel, kter˘ v nûm naznaãil, co vede autory vûdeck˘ch pojednání k tomu, Ïe je v˘sledek jejich snaÏení nakonec tak ‰patnû ãiteln˘: „... poãínaje mnoÏstvím cizích slov a termínÛ a konãe projevy podvûdomého autorova strachu, Ïe se pfied vlastními kolegy shodí“. Je to tak, Ivan Havel uhodil hfiebíãek na hlaviãku. Abych prozradil kroky, jeÏ logicky vedly k tématu této kníÏky, musím ãtenáfii osvûtlit svÛj osobní pfiístup. V raném mládí mû pohled mikroskopem na bakterie zasáhl jako zjevení. Zíral jsem na ty obarvené nehybné „tvory“, i na ty Ïivé, mr‰tnû se pohybující jakoby bez cíle sem a tam. Fascinující je i pohled na bakterie rozeseté v mikroskopickém preparátu sekretu nebo hnisu. V mrtvé nehybnosti je jejich pfiítomnost nûm˘m poselstvím nemoci. Zjistil jsem, Ïe pozorovat bakterie je stejnû úÏasné jako

Bakterie_001_51

8

9.10.2008

19:31

Stránka 8

Ze života bakterií

dívat se vzhÛru na hvûzdy. Ten, kdo jde za poznáním, dozvídá se dal‰í a dal‰í zajímavé skuteãnosti, a od pfiedstavy ohromující síly a mechanismÛ vesmíru dospûje k touze porozumût nekoneãnu prostoru a koneãnosti Ïivota na Zemi. Mikrosvût a makrosvût pfiedstavují jedno a totéÏ tajemství. Jedno i druhé se postupnû odhaluje, mezery se vyplÀují hypotézami a dál se vyjevují tajemství nová.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 9

9

1. O bakteriích a lidech Pouh˘ pohled na bakterie zÛstává na povrchu a jen málo toho prozrazuje o dynamice a sloÏitosti jejich Ïivota. Pozvoln˘ postup v˘zkumu, sestupujícího do spodních pater mikrosvûta k jeho molekulám a atomÛm, pfiiná‰í nová poznání, odhaluje sloÏitost Ïivotních pochodÛ bakterií a vztahy v jejich spoleãenství. Bakterie, které obklopují a vyplÀují tûlo ãlovûka, jsou jen útlou podmnoÏinou v‰ech asi 3000 dosud znám˘ch bakterií vyskytujících se na Zemi z pfiedpokládaného milionu druhÛ. Mají pfiekvapivé Ïivotní projevy, jeÏ fiídí koordinovanû, pracují pomocí drobounk˘ch sloÏit˘ch strojkÛ, mechanicky pohánûn˘ch chemickou energií, pohybují se za potravou a prchají od jedovat˘ch látek, vzájemnû komunikují, a pokud to potfiebují, kooperují, av‰ak v ohroÏení jsou si antagonisty. Chovají se jinak, kdyÏ je jich málo, a jinak, kdyÏ jejich populace houstne. Mají své loupeÏivé nepfiátele z fiad bakterií a ‰kodí jim jejich vlastní viry. Umûjí vytváfiet spoleãenství sloÏit˘ch struktur, v nichÏ se mûní jejich vlastnosti. Elementární povûdomí o mikrobech si lidé odná‰ejí ze základní a stfiední ‰koly. V bûÏném Ïivotû se zvûst o bakteriích ãas od ãasu objeví ve zpravodajství a publicistice, a sice v takové formû, Ïe jsou „nebezpeãné“, „zákefiné“, Ïe na nás „útoãí“. Kategorie jsou tu jasnû vymezeny: bakterie jsou zlé, ‰kodí v‰em, proto pryã od nich! Proti nim stojí antibiotika. Ta je zne‰kodní u kaÏdého sportovce, kterého nám ukáÏe obrazovka: bolí ho v krku a nemohl by startovat.1 Tento názor, podepfien˘ pocity, pramení z historie epidemií moru, skvrnitého tyfu, cholery, bfii‰ního tyfu, úplavice, syfilidy, pozdûji zá‰krtu a spály. Av‰ak bakterie kromû toho, Ïe lidskému tûlu ‰kodí a mohou je i usmrtit, mu také prospívají, coÏ není v‰eobecnû známo. Jejich arzenál je nápadn˘, ale i zcela subtilní a nenápadn˘. AntibiotikÛm se umûjí bránit jako jednotlivci i jako populace. V následujících kapitolách se dozvíte o bakteriích, které mají intimní vztah k ãlovûku. Jsou kolem ãlovûka, na nûm i v nûm. Uvnitfi tûla jsou jen tam, pokud prostor vystlan˘ sliznicí bezprostfiednû souvisí s vnûj‰ím prostfiedím. Do styku s ãlovûkem se bakterie dostávají z vody, z pÛdy, ze vzduchu, od zvífiat, a zejména od lidí. Zab˘vá se jimi lékafiská mikrobiologie. Zde pojednáme jen o nûkter˘ch v˘znamn˘ch a pozoruhodn˘ch druzích pÛvodcÛ infekãních onemocnûní, dokumentujících rozmani-

1

Mikrobi jsou na tom v televizi vÛbec ‰patnû. Zatímco po nûjaké vraÏdû, vlepené facce, ãi kdyÏ nûkdo poãmárá zdi, ve zprávách vyletí na obrazovku jako ãertík psycholog s nûkolikavtefiinovou ohromující moudrostí, na mikrobiology si redaktofii pfii pravideln˘ch nudn˘ch podzimních ‰otech o burãáku a slivovici nikdy nevzpomenou. Je mi vÏdycky kolegÛ technick˘ch mikrobiologÛ líto.

Bakterie_001_51

10

9.10.2008

19:31

Stránka 10

Ze života bakterií

tost bakterií a jejich úlohu v Ïivotû lidí. Budeme se zab˘vat i nûkter˘mi problémy zdravotnick˘mi, o nûÏ mají ãtenáfii trvale Ïiv˘ zájem. Na vymezeném prostoru se nelze vûnovat v‰em stránkám Ïivota bakterií. Proto jsou vybrány nové informace, které podnûcují k zamy‰lení. SnaÏil jsem se vybrat z rozmanitého Ïivota bakterií fragmenty, které o nich poskytují poutav˘ obraz. Pfiitom jsem nemohl pominout zmínku o chování bakterií ve spoleãenství ani kritiku názorÛ, které bakteriím pfiisuzují inteligentní chování.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 11

11

2. Co jsou vlastně bakterie? Zaãnûme obvyklou definicí, která praví, Ïe bakterie jsou jednobunûãné organismy o velikosti fiádu tisícin milimetru. Jsou rÛzného tvaru, buì mají nejmen‰í povrch v daném objemu jako kulovité koky, nebo jsou podlouhlé ve tvaru tyãinek, vláken a v‰elijak zproh˘bané jako rohlíãky, v˘vrtky, spirály, plácaãky (obr. 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5 a 2-6 v pfiíloze).

2-1: Tyãinkovitá bakterie 2–3 × 0,8 µm. Elektronoptick˘ snímek Escherichia coli, která mÛÏe b˘t i del‰í – pfies 10 µm.

2-2: Sférické bakterie o prÛmûru 1 µm – koky lpící pfii sobû vytváfiejí shluky pfiirovnávané k vinn˘m hroznÛm. Elektronoptick˘ snímek bakterie Staphylococcus aureus.

2-3: Koky o prÛmûru 1 µm tvofií charakteristické dvojice, proto jsou naz˘vané diplokoky. Elektronoptick˘ snímek bakterie Streptococcus pneumoniae.

2-4: Do jemné v˘vrtky stoãené tenké tûlo bakterie s hust˘mi závity, dlouhé 6–20 µm, silné jen 0,1 µm, na konci typicky esovitû zahnuté. Elektronoptick˘ snímek Leptospira interrogans.

Bakterie_001_51

12

9.10.2008

19:31

Stránka 12

Ze života bakterií

2-5: ·tíhlé tûlo bakterie, nûkolikrát v jedné rovinû prohnuté, o délce 3 µm, silné kolem 0,7 µm. Elekronoptick˘ snímek kampylobakteru.

Od bunûk Ïivoãi‰ného tûla se bakterie li‰í hlavnû tím, Ïe aã je jejich genetická informace vázána také na DNA v jakémsi jádfie, není toto jádro ohraniãeno membránou a neobsahuje jadérko. BuÀky se „správn˘m“ jádrem se oznaãují jako eukaryotní, zatímco buÀky bakterií jako prokaryotní (obr. 2-7). Funkci jádra má jedin˘ chromozom, jenÏ nese geny a oznaãuje se jako genom. Kromû chromozomu mÛÏe b˘t DNA v cytoplasmû je‰tû ve formû plasmidu. V cytoplasmû jsou je‰tû v˘robci bíl-

cytoplasma chromozom

pouzdro buněčná stěna cytoplasmatická membrána ribozomy fimbrie bičík

2-7: Struktura bakteriální buÀky.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 13

2. Co jsou vlastně bakterie?

13

kovin – ribozomy. Navenek je bakterie ohraniãena cytoplasmatickou membránou, tuhou a pevnou bunûãnou stûnou (obr. 2-8), u nûkter˘ch bakterií silnûj‰í, u jin˘ch tenãí. Ty je‰tû mají na sobû sloÏitou vnûj‰í membránu. Na povrchu je bakterie vybavena dÛleÏit˘mi strukturami pro styk s okolním svûtem: pro mechanickou ochranu a obranu, pro zabydlení se na zvoleném povrchu a k útoku pfiilnutím na buÀky hostitele, pro pfienos genetické informace na jiné bakterie i jako ãidla stavu vnûj‰ího prostfiedí (obr. 2-9). Pfiirozen˘m prostfiedím pro bakterie je voda, pÛda, povrch tûla a sliznice ÏivoãichÛ. Pfiechodnû se také vyskytují ve vzduchu, buì samotné, jsou-li uná‰eny vûtrem, nebo, ãastûji, na ãásteãkách prachu. Jsou schopny Ïít i za extrémních fyzikálních a chemick˘ch podmínek – v hlubinách oceánÛ odolávají vysokému tlaku, v hork˘ch pramenech vysoké teplotû (nûkteré se mnoÏí i pfii teplotû 121 °C). Odolávají záfiení v dávkách pro ãlovûka smrteln˘ch, v Mrtvém mofii vysoké koncentraci solí, v pfiírodû i v Ïaludeãní ‰Èávû vysoké kyselosti. Nûkteré jsou velmi nároãné, mohou rÛst jen v prostfiedí Ïivoãi‰ného tûla, a nûkteré dokonce jen uvnitfi jeho bunûk. Nejvût‰í bakterie je dosti velk˘ kulovit˘ cvalík o prÛmûru 750 µm, takÏe je vidût pouh˘m okem, nûkteré z nejmen‰ích bakterií ãlovûku prospívají sv˘mi produkty pfii úpravû potravin, nápojÛ nebo jsou surovinami pro chemick˘ prÛmysl, jiné dodávají svému hostiteli prospû‰né nebo dokonce nezbytné produkty pfiímo v jeho tûle.

2-8: Povrchové struktury bakteriální buÀky Escherichia coli. Speciální technikou byla tangenciálnû odfiíznuta vnûj‰í vrstva (lipoproteinová) bunûãné stûny, odkryta vnitfiní (mukopeptidová) vrstva vnûj‰í membrány, pod ní pruh cytoplasmatické membrány. (Technika a elektronoptick˘ snímek J. ·marda.)

Bakterie_001_51

14

9.10.2008

19:31

Stránka 14

Ze života bakterií

2-9: Fimbrie, krátké pfiívûsky na povrchu buÀky Escherichia coli, slouÏící kromû jiného k pfiilnutí k pevnému povrchu, napfiíklad na buÀku sliznice.

Historicky prvním a nejzávaÏnûj‰ím objektem zájmu byly bakterie, které mohou ãlovûku pfiinést závaÏnou zdravotní újmu – bakterie choroboplodné ãili patogenní. Spolu s nimi pak byly studovány bakterie, které se u ãlovûka vyskytují a onemocnûní mu nezpÛsobují. Vztah bakterie a ãlovûka sice není jednoduch˘, ale na druhé stranû zas ne tak sloÏit˘. To, zda vznikne infekãní onemocnûní, závisí souãasnû na mífie patogenity bakterie a obranyschopnosti organismu. SloÏité je v‰ak jejich fiízení – virulence u bakterií a míra imunity u hostitele.

Uvûznûné bakterie Chceme-li poznat vlastnosti bakterií, musíme je izolovat z jejich pfiirozeného prostfiedí a studovat na pfiístupném místû metodou popisu a experimentu. Takov˘m pfiístupn˘m místem je bezpochyby bakteriologická laboratofi. Vzhledem k jejich dosud svobodnému zpÛsobu Ïivota je pro bakterie laboratofi vûzením, v nûmÏ se jim podle mínûní vûznitele poskytují optimální v˘Ïiva a fyzikální podmínky. Metod studia je celá fiada, od jednoduch˘ch a základních aÏ po sloÏité metody fyzikální, chemické a genetické.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 15

2. Co jsou vlastně bakterie?

15

Práce v laboratoři Bakterie se izolují ze vzorku odebraného z prostředí. Vezměme jako příklad vyšetření v klinické mikrobiologii. Vzorek odebraný třeba ze sliznice se přenese do živné půdy, zprvu nejlépe do tekuté, jíž je nejčastěji obměna masového bujonu. Bakteriím se poskytne nejméně 18 hodin – to jest takzvaně „přes noc“ –, aby se mohly pomnožit. V optimálním případě jich tam v 1 ml vyroste kolem jedné miliardy. Vyrostou tam ovšem všechny druhy přítomné v odebraném vzorku. Abychom od sebe oddělili jejich jednotlivé buňky, ponoříme do půdy zakalené bakteriemi nástroj zvaný bakteriologická klička (obr. 2-10, v příl.), v jejímž očku ulpí několik mikrolitrů tekutiny, která se určitým způsobem rozetře po povrchu takzvané tuhé půdy. Základem tuhé půdy je opět masový bujon s obsahem agaru, čištěné mořské řasy, která za pokojové teploty vytvoří gel, podobně jako u cukrářských zákusků s ovocem. Ostatně se říká, že Robert Koch, který na tento způsob izolace jednotlivých bakterií a jejich další kultivace přišel, se inspiroval v kuchyni své paní. Zní to dobře, ale asi to tak není. Kdoví. Izolované bakterie vyrůstají v koloniích. Podle jejich vlastností – velikosti, tvaru, konzistence, zbarvení, utváření povrchu a ohraničení proti okolí – lze přibližně poznat,

o jaký druh asi jde. Konečné určení je však možné až po zjištění tvaru a barvitelnosti pomocí mikroskopu a provedení dalších testů, například testů jejich biochemické aktivity. Tyto testy pak zjišťují, jaké cukry bakterie štěpí, jaké jsou produkty štěpení bílkovin nebo metabolismu určitých aminokyselin. Jednotlivé testy se provádějí buď ve zkumavkách (obr. 2-11, v příl.), nebo dnes většinou jako mikrotesty (obr. 2-12, v příl.), v objemech několika mikrolitrů v plastových nádobkách. Jejich výsledkem je změna nebo tvorba určitého zbarvení půdy přidaným barevným indikátorem. V této fázi je už určen jeden či více druhů přítomných bakterií podle expertní znalosti mikrobiologa, nebo i automaticky pomocí počítače. Znalost původce onemocnění však nestačí, je nutno navrhnout léčbu antibiotikem. Zjišťuje se tedy citlivost mikroba na antibiotika. Popsaný způsob je základní vyšetření a má mnoho modifikací. Dnes se používají i rychlé metody automatické nebo metody molekulové mikrobiologie. Popsaný základní postup se však považuje za nejspolehlivější referenční metodu. Může selhávat tam, kde se domníváme, že bakteriím poskytujeme to nejlepší, přičemž někdy nevíme, co to „nejlepší“ znamená. To proto, že v laboratoři jsou bakterie vězněny, byť třeba zlatou mříží.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 16

16

3. Jak se bakterie třídí a zařazují do systému Po popisu a poznání jak˘chkoli objektÛ kolem nás, tedy i v pfiírodû, následuje srovnávání a tfiídûní. Tfiídíme podvûdomû i vûdomû. Zámûrné tfiídûní ãili klasifikace je obsahem taxonomie. To je vûdní obor s vlastní metodikou, vyhodnocováním a vytváfiením klasifikaãního systému. Podobné objekty se fiadí k sobû do skupin, ménû podobné, s více rozdíln˘mi vlastnostmi, do tfiíd. Podobnost se nejlépe vyjádfií nûjakou mírou, kde ãíslo prozrazuje stupeÀ pfiíbuznosti ãi podobnosti. Skupiny podobn˘ch objektÛ i objekty samotné se pojmenovávají. Teprve nomenklatura ãiní klasifikaãní systém zvnûj‰ku srozumiteln˘m. Pfiejdûme k bakteriím. âlovûka jiÏ od samého poãátku, kdy bakterie objevil, nejvíce zajímaly ty, které zpÛsobovaly infekãní nemoci. KdyÏ se v pfiedminulém století zaãaly mnoÏit objevy pÛvodcÛ infekãních chorob, byla jim dávána rÛzná jména, která mûla vystihovat jejich vlastnosti, onemocnûní, jeÏ zpÛsobují, nebo objevitele. Popisy nebyly vÏdy dokonalé, protoÏe to prostû jinak nebylo moÏné. Stejnû tak i jména. Jak se rozvíjela laboratorní technika a úroveÀ lidského poznání, popis vlastností bakterií se zdokonaloval. Nûkdy se pfiíli‰ neli‰il od toho, co jiÏ bylo zji‰tûno, v jin˘ch pfiípadech byl jin˘. Brzy bylo jasné, Ïe je nutno zavést nûjak˘ fiád a bakterie tfiídit podle dohodnut˘ch vlastností, pro v‰echny stejn˘ch, aby se mohly srovnávat. KaÏdá vlastnost neboli znak se v‰ak pro klasifikaci nehodí, nejvhodnûj‰í by byly takové znaky, které mají vysok˘ obsah informace, tedy ideálnû rozdûlují v‰echny klasifikované bakterie do dvou stejnû velk˘ch skupin. Mají vysokou rozli‰ovací, to jest diskriminaãní schopnost. âím více znakÛ je schopno klasifikovan˘ soubor rozdûlovat, tím je klasifikace pfiesnûj‰í. Systém nemÛÏe b˘t vytvofien podle jednoho nebo dvou znakÛ, napfiíklad podle tvaru bakterie nebo zbarvení kolonií, protoÏe kokÛ s Ïlut˘mi koloniemi je mnoho. Mnoho je tyãek s koloniemi ãerven˘mi anebo více tyãek s koloniemi nezbarven˘mi. Zkrátka snahou je najít pro kaÏd˘ druh bakterie jednoznaãnou definici. Základní taxonomickou tfiídou je bakteriální druh. Je ozdoben jménem sloÏen˘m obrácenû neÏ na‰e – první jméno je rodové a podobnû jako na‰e pfiíjmení oznaãuje pfiíslu‰nost (napfiíklad Staphylococcus), druhé jméno je druhové (aureus). Celé jméno se pí‰e vÏdy kurzivou a je jednoznaãné. Znaky, které se pouÏívají pro diskriminaci rodÛ a druhÛ, mají mít co nej‰ir‰í rozsah. Jsou to znaky popisující morfologii bunûk a kolonií, fyziologii, chemické sloÏení bunûk, nároky na v˘Ïivu, pfiirozenou rezistenci k antibiotikÛm, rezistenci k chemick˘m a fyzikálním faktorÛm, antigenní skladbu. Toto v‰e je klasifikace podle

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 17

3. Jak se bakterie třídí a zařazují do systému

17

fenotypu, souboru vlastností, kter˘mi se bakterie projevuje. Dlouho se ke klasifikaci urãité skupiny, napfiíklad druhu, pouÏívaly znaky charakteristické a jedineãné. Tento systém v‰ak brzy pfiestal vyhovovat a taxonomové museli zvolit jiné pfiístupy. Pfii jednom, nejvíce pouÏívaném postupu se v‰em znakÛm pfiisuzuje stejn˘ v˘znam, povaÏují se za rovnocenné. Podle frekvence jejich v˘skytu se vypoãítá podobnost skupin a druhÛ. Matematick˘ch metod zpracování znakÛ a stanovení podobnosti je mnoho. ProtoÏe ke klasifikaci je nutno zpracovat velké mnoÏství znakÛ, vyuÏívají se pro tuto numerickou klasifikaci poãítaãe. Názorn˘m obrazem v˘sledku klasifikace je strom vûtven˘ podle míry podobnosti skupin a druhÛ. Bakterie se mohou tfiídit i podle jin˘ch kritérií – podle chemického sloÏení bunûãné stûny, mastn˘ch kyselin, velikosti a náboje bílkovin, podle podobnosti ribonukleové kyseliny v ribozomech, podle obecné pfiíbuznosti DNA, podle celkového obsahu bází v DNA. V˘chodiskem z pfiípadn˘ch obtíÏí s klasifikací mÛÏe b˘t kombinace tûchto kritérií, coÏ se oznaãuje jako vícefázová klasifikace. Jak uÏ je asi patrno, není metoda klasifikace pevnû dána, záleÏí spí‰e na volbû metody a její interpretaci. Klasifikace bakterií tedy tvofií hierarchick˘ systém, kter˘ v‰ak není absolutní a hoden tesání do kamene. Je v˘sledkem okamÏitého stavu svûta bakterií a obrazem pfiístupu, úvahy a interpretace, které vytváfií ãlovûk, a je tedy uspofiádáním subjektivním, k nûmuÏ je nutn˘ vût‰inov˘ souhlas. Proto toleruje mírné prohfie‰ky proti pfiísné aplikaci logiky v zafiazení a v nomenklatufie. KoneckoncÛ, bakterie jsou dynamické jednotky a nûkteré jejich znaky se v ãase mûní, a proto není snadné najít ostré ohraniãení jednotliv˘ch druhÛ. Existují dvû pojetí klasifikace: jednak nesmírnû obtíÏná snaha o akademickou klasifikaci a co nejpfiesnûj‰í systém, jejímÏ motorem je samo poznání, jednak klasifikace pragmatická, potfiebná pro praxi – medicínu, ekologii, pÛdní mikrobiologii, biotechnologii a prÛmysl. Teoretick˘m cílem klasifikace je popsat a definovat druh. V praxi je potfieba urãit napfi. jak˘ druh bakterie je u pacienta pÛvodcem prÛjmu, jak˘ druh vyvolal smrtelnou plicní infekci nebo Ïe druh bakterie izolovan˘ z rány u jiného pacienta je nepatogenní. Pragmatická koncepce upfiednostÀuje definici druhu v‰eobecnû srozumitelnou a pouÏitelnou v praxi. Koncepce druhu je obtíÏná a je pfiedmûtem sporÛ a úvah. Podle jedné z posledních definic pfiedstavuje druh kategorie geneticky kompaktní skupiny izolátÛ s vysok˘m stupnûm podobnosti velkého poãtu nezávisl˘ch znakÛ. Taxonomie se také zab˘vá obsahem pojmÛ izolát, kmen, klon, biovar. Jsou to pojmy velmi potfiebné, ale ani jejich definice není a nemÛÏe b˘t jednoznaãná. Nejjednodu‰‰í je vymezit izolát – je to ãistá kultura bakterií, izolovaná z urãitého zdroje. Nevypovídá nic o historii a vztahu k jin˘m kulturám. Kmen je izolát nebo skupina izolátÛ téhoÏ druhu obvykle urãitého pÛvodu s totoÏn˘m fenotypem ãi genotypem.

Bakterie_001_51

18

9.10.2008

19:31

Stránka 18

Ze života bakterií

Klon je izolát nezávisle izolovan˘ z rÛzn˘ch zdrojÛ, fenotypovû a genotypovû jedineãn˘. Pfiedpokládá se, Ïe to je potomstvo jedné pÛvodní buÀky. Taxonomie je vûda o klasifikaci, nomenklatufie a jejich aplikaci. Pfiitom klasifikace není statická, mûní se s ãasem a se zdokonalováním poznání. Není nadiktovaná, je zaloÏena na konsenzu odborníkÛ.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 19

19

4. Sex bakterií Titulek, aã pfiiléhav˘, nemÛÏe naplnit jiné oãekávání neÏ popis jednoho ze zpÛsobÛ roz‰ifiování genomu bakterií. Celková dávka genÛ bakterie a jejich kvalita mÛÏe b˘t za urãit˘ch okolností nedostateãná a je ji nutno zmûnit, aby se mikrob vypofiádal s nov˘mi podmínkami. Názorn˘m pfiíkladem je situace, kdy bakterie mÛÏe pfieÏít pfiítomnost antibiotika, jen pokud získá geny, které jí propÛjãí rezistenci. Geny se pfiená‰ejí i za nevynucen˘ch podmínek, zdánlivû bez zfietelného úãelu nebo zámûru. Pfienos genu do bakterie je nástrojem pro pfieÏívání a prospívání v prostfiedí a uskuteãÀuje se i neposkvrnûn˘mi zpÛsoby. Nûkter˘ bakteriofág si pfii mnoÏení v buÀce do své DNA zabuduje ãást její DNA (s geny) a pfii infekci ji pak pfienese na nového hostitele, na nûmÏ se pomnoÏil. Infikovaná hostitelská buÀka pak mÛÏe procesem rekombinace s odpovídajícím úsekem své DNA svou genovou v˘bavu v tomto úseku pozmûnit. Takzvané temperované fágy mají svÛj genom zabudovan˘ do chromozomu hostitelské buÀky a nijak se neprojevují. Teprve pfii nûjaké vnûj‰í zátûÏi se uvolÀují, buÀku lyzují a odnesou s sebou úsek DNA, kde byly zabudovány. Ten pak mohou pfienést pfii dal‰í infekci na nového hostitele. Tyto zjednodu‰enû vylíãené procesy se naz˘vají transdukce a pfiená‰ejí geny z jedné buÀky na druhou. Cizí geny mÛÏe buÀka získat také „z vody“. Je to pfienos transformací. Zde jde o pfienos holé DNA z jedné buÀky na druhou, recipientní buÀku. K transformaci dochází za pfiirozen˘ch podmínek, u nûkter˘ch bakterií jen v laboratofii. Ale jak v laboratofii, tak v pfiirozeném prostfiedí na holou DNA ãíhá nebezpeãí nukleáz, které ji ‰tûpí. V laboratofii se proto upravují podmínky tak, aby k transformaci do‰lo. Kromû toho musí b˘t recipient v urãitém stavu kompetence, aby se pfienos DNA uskuteãnil. Kompetence je fiízena nûkolika geny a hraje u ní také roli signalizace bílkovinami feromony.

Geny, bílkoviny, mutace Takzvaná genetická informace je u bakterií uložena v bakteriálním chromozomu, v jedné cirkulární do sebe uzavřené molekule DNA (obr. 4-1, v příl.). Dělení buňky je vázáno na replikaci DNA, jež zajišťuje předávání veškeré informace potomstvu. DNA je molekula složená ze dvou pro-

vazců, replikuje se jako celek, označuje se jako replikon. Replikace je semikonzervativní, neboť každý z obou provazců se kopíruje do svého protějšku a vzniknou dvě stejné, nové molekuly, z nichž každá obsahuje polovinu té původní. Soubor genů uložených na chromozomu bakterie se

Bakterie_001_51

20

9.10.2008

19:31

Stránka 20

Ze života bakterií

označuje jako genom. Gen si lze představit jako lineární soubor nukleotidů, určitým způsobem organizovaný. Zápis informace je proveden trojicemi složenými ze čtyř nukleotidů. Trojice jsou metaforou písmen. Gen určuje, neboli kóduje, funkční polypeptid, bílkovinu nebo různé molekuly RNA. Geny se mohou koordinovaně exprimovat, tj. být aktivní ve skupině, jež se označuje jako operon, a tvořit tak jednu funkční jednotku. Informace z DNA se přepisuje na m-RNA (transkripce), a z ní pomocí molekul t-RNA na již vytvořený příslušný bílkovinný řetězec (translace), například na molekulu enzymu. Celý tento proces je funkčně složitý, ve hře jsou další molekuly. Exprese genů je řízena na všech svých stupních až po aktivitu syntetizované bílkoviny. V principu jde o potlačení exprese – tzv. represi, nebo o její zahájení – indukci. Regulace aktivity genů je v mnohých případech velmi složitá; umožňuje buňce ekonomický způsob života a přežívání za změněných podmínek. Soubor zděděných vlastností charakterizujících buňku, které se mohou, ale nemusí vždy uplatnit, se označuje jako genotyp. Soubor vlastností, kterými se buňka v daných podmínkách zvnějšku jeví, je fenotyp. Genotyp se může měnit mutací. Mutace může být buď spontánní, bez vnějšího zásahu, nebo indukovaná zvnějšku chemicky, ultrafialovým nebo ionizačním zářením. Spontánně vzniklé mutace, jako například chybná replikace DNA, se mohou snadněji reparovat, zatímco hrubé změny, navozené

většinou vnějším chemickým nebo fyzikálním zásahem, jsou trvalé, pokud jsou vůbec slučitelné s životem bakterie. Mutací vzniklé varianty původního genotypu, takzvané mutanty, se uplatňují různým způsobem – mohou být faktorem evoluce, nebo i cestou k záhubě. V neposlední řadě pomáhají v laboratoři odkrývat životní pochody bakterií. V každé populaci bakterií jsou v určité nízké frekvenci teoreticky přítomny mutanty ke každé vlastnosti bakterie a lze je více či méně obtížně z populace selektovat. Už zhruba před šedesáti léty ukázali vtipným jednoduchým testem Luria a Delbrück, že v populaci bakterií se ve frekvenci 10-8 spontánně vyskytují mutanty rezistentní ke streptomycinu. Geny v bakteriích nejsou uloženy jen na bakteriálním chromozomu, ale i na tzv. plasmidech. Plasmid je genetický element, replikon množící se nezávisle na chromozomu. Je to také kruhová molekula DNA, většinou značně menší než chromozom. Plasmidy se v buňce vyskytují v mnoha kopiích. Některé mají schopnost přenášet se z jedné buňky do druhé. Nesou znaky, jež nejsou pro buňku zcela nezbytné, mohou však být prospěšné za zvláštních okolností. Na plasmidech jsou umístěny geny rezistence k antibiotikům, geny určující produkci toxinů, geny určující syntézu adhezinů, látek, jimiž se bakterie připojuje na buňky sliznic, a tzv. kolonizační faktory, jež trvaleji umožňují osídlení sliznic hostitele. Tato vlastnost je velmi důležitá v patogenezi onemocnění.

Sexuální polarita je nejúãinnûj‰ím nástrojem Sex u bakterií je dán v podstatû existencí dvojích bunûk, které se od sebe li‰í právû jen schopností buì jen pfiijímat, nebo jen pfiedávat genetickou informaci. Nûkdy

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 21

4. Sex bakterií

21

pfied padesáti léty zjistil Joshua Lederberg, pozdûji odmûnûn˘ Nobelovou cenou, Ïe se nûkteré vlastnosti bakterií mohou pfiená‰et na jiné a tento pfienos je jednosmûrn˘, to znamená, Ïe buÀky, které vlastnosti pfiená‰ejí, nejsou schopny je pfiijímat, a buÀky, které pfiijímají, nejsou schopny pfiedávat. Dovozovalo se, Ïe donátorské buÀky – donofii – mají nûjak˘ faktor fertility, jsou to tedy buÀky samãí, a oznaãovaly se F +, a Ïe buÀky recipientní – receptofii – fungují jako buÀky samiãí, s oznaãením F–. Úvaha byla správná a následná v˘zkumná práce objasnila celou skuteãnost. Vlastnosti, tedy geny, se pfiená‰ejí do recipientní buÀky po fyzickém kontaktu, konjugací. Samãí buÀky mají plasmid F+. Je pfiítomen v cytoplasmû, je nezávisl˘ na chromozomu a je za konjugaci a pfienos funkãnû zodpovûdn˘. Sám mÛÏe nést rozliãné geny urãující buì syntézu metabolick˘ch enzymÛ, rezistenci k rÛzn˘m látkám, k antibiotikÛm, anebo jiné geny s jinou funkcí (obr. 4-2).

fimbrie mobilní plasmid

chromozom chromozom

DONOR

relaxozom

NOVÝ DONOR

RECIPIENT

transferozom

NOVÝ DONOR

4-2: Pfienos plasmidu konjugací. Mal˘ kruh pfiedstavuje plasmidovou DNA, která se po napojení na dárcovskou buÀku pomocí sex fimbrie pfienese na pfiíjemce, kter˘ se stává donorem.

Bakterie_001_51

22

9.10.2008

19:31

Stránka 22

Ze života bakterií

4-3: Spojení bunûk sex fimbrií (fimbrie IV. typu). Po napojení se fimbrie smr‰Èuje a obû buÀky se k sobû pfiiblíÏí.

Cel˘ pfienos probíhá v nûkolika fázích fiízen˘ch plasmidem. Kontakt mezi buÀkami obstarávají fimbrie, které mají pouze buÀky samãí. ¤íká se jim proto sex-specifické fimbrie a geny pro jejich tvorbu jsou neseny právû F+ plasmidem. JiÏ zmiÀovaná fimbrie IV. typu se sv˘m koncem dotkne jednoho místa na povrchu recipientní buÀky a pak se retrahuje a samiãí buÀku si pfiitáhne, takÏe obû buÀky k sobû pfiilehnou (obr. 4-3). O dal‰ím dûní se kromû domnûnek ãi teorií dosud vlastnû nic bliωího neví. Jisté je, Ïe uvnitfi donátorské buÀky se mobilizuje DNA plasmidu, a to tak, Ïe se aktivizuje enzym relaxáza, kter˘ roz‰tûpí na urãitém místû vlákno DNA, ta se rozplete, jeden provazec se na relaxázu naváÏe a tyto dvû sloÏky spoleãnû s cel˘m plasmidem vytvofií komplex zvan˘ relaxozom. Pfiechod DNA ve formû otáãející se kruhové struktury zprostfiedkovává sekreãní systém, kter˘m také patogeny vyluãují z buÀky makromolekuly toxinÛ. Ani o tomto procesu není známo mnoho detailÛ. Podle jednoho modelu, kter˘ vysvûtluje pfiechod komplexu DNA a relaxázy pfies cytoplasmatickou membránu, prodûraví fimbrie jako jehla v‰echny obaly recipienta, DNA je napfied pasivnû navedena nûkolika bílkovinami a pak bílkoviny sekreãního systému aktivnû napumpují DNA plasmidu vãetnû genÛ, které pfiípadnû nese. Je to jeden z hypotetick˘ch modelÛ operující se znám˘mi funkcemi rÛzn˘ch bílkovin. V recipientní buÀce se dokonãí syntéza chybûjící ãásti fietûzce DNA a totéÏ se stane v buÀce donátorské. Recipientní buÀka po úspû‰né konjugaci, takzvan˘ exkonju-

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 23

4. Sex bakterií

23

gant, se ale musí nûjak postarat, aby se plasmid v populaci udrÏel a dále se s dûlícími se bakteriemi mnoÏil. F plasmid produkuje toxické bílkoviny, které zabíjejí v‰echny samiãí buÀky v okolí, které by totiÏ rychlej‰ím mnoÏením v dal‰ích generacích exkonjuganty vytlaãily. Plasmid mÛÏe znamenat pro buÀku, která ho nese, jistou metabolickou zátûÏ, a proto mohou b˘t tyto buÀky v urãité nev˘hodû. Nûkdy je plasmid zabudován do chromozomu bakterie. V takovém pfiípadû se pak pfiená‰í postupnû chromozom. Za této situace se pfienos chromozomov˘ch genÛ dûje s mnohem vy‰‰í frekvencí. Tyto buÀky proto byly oznaãeny jako Hfr, to jest „high frequency recombination“. Cel˘ chromozom se prakticky nepfienese, dlouhé vlákno DNA se pfii pfiechodu, kter˘ trvá nûkolik minut, láme, a protoÏe integrovan˘ F faktor urãující syntézu nezbytné F fimbrie je na konci, jako by postrkával DNA, nedojde ani na nûj. Recipientní buÀka proto zÛstává samiãí, je F–. Jinak probíhá konjugace u grampozitivních bakterií, u nichÏ se pfienos uskuteãÀuje pfies hranice rodÛ, tedy na buÀky málo pfiíbuzné. Hraje tu roli opût plasmid, kter˘ determinuje syntézu látky, která má pohlavnû specifickou funkci – takzvan˘ feromon. Je to krátk˘ peptid produkovan˘ potenciálním recipientem a pÛsobí na potenciálního donora nesoucího plasmid. Ten determinuje tvorbu shlukovacích faktorÛ, které se naváÏou na povrch recipienta, zafixují ho a umoÏní fyzick˘ kontakt nutn˘ pro pfienos. Po uskuteãnûní fyzického kontaktu pfiestává recipientní buÀka feromon produkovat – je jiÏ zbyteãn˘. U enterokokÛ je plasmidÛ nûkolik druhÛ a pro kaÏd˘ existuje specifick˘ feromon. Pfienos podmínûn˘ feromony probíhá v tekutém prostfiedí a je dobfie probádán napfiíklad právû u zmínûn˘ch enterokokÛ, u nichÏ se studuje transfer genÛ rezistence ke glykopeptidov˘m antibiotikÛm. U stafylokokÛ a streptokokÛ mÛÏe konjugace probíhat bez pomoci feromonÛ. Polarita bakterií je vzhledem k pfienosu genÛ, kter˘ se uskuteãÀuje fyzick˘m kontaktem, tedy konjugací, dÛleÏit˘ fenomén. NeslouÏí ov‰em k rozmnoÏování, ale „jenom“ ke zlep‰ení genetické v˘bavy zejména v kritick˘ch situacích. Je to sex a není to sex. Podle toho, jak se to vezme.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 24

24

5. Pohyb bakterií Nûkteré bakterie se musí pohybovat, jiné nikoliv. Pohyb je pro bakterie v˘hodn˘, mohou putovat za potravou, rychle uniknout z nebezpeãí, mohou se dostat v tûle hostitele, kam potfiebují. Nûkteré bakterie se pohybují jako motorov˘ ãlun pomocí biãíkÛ, jiné jako stonoÏka pomocí fimbrií, dal‰í klouzáním po namazaném povrchu a je‰tû dal‰í jako had, snad smr‰Èováním tûla. Nejãastûji je v‰ak Ïene vpfied biãík. Pfied více neÏ padesáti léty ukázal jeden jihoafrick˘ mikrobiolog, jak se vlastnû bakterie pomocí biãíkÛ pohybují. Na svou dobu to bylo pozorování originální vûdecky i technicky. Mikrobiolog pracoval s kamerou opatfienou mikroskopem v takzvaném temném poli s velmi intenzivním svûtlem. Oslnivû bílá tûla bakterií se ãile pohybovala pomocí biãíkÛ uspofiádan˘ch do velmi dobfie patrn˘ch copánkÛ. Biãíky jsou totiÏ velmi jemná vlákna o síle kolem 20 nanometrÛ, tedy asi padesátkrát tenãí neÏ ‰ífika bakterie; navíc jsou kfiehké a snadno se od tûla bakterií odlamují. Na nebarven˘ch bakteriích a ani pfii bûÏném barvení nejsou biãíky vidût. Impregnace stfiíbrem byla tehdy jediná a obtíÏná metoda jejich znázornûní. Pokud se biãíky zpevnily pÛsobením taninu nebo formalinu, uÏ se tak snadno neodlamovaly a bylo moÏno je barvit anilinov˘mi barvivy (obr. 5-1, v pfiíl.). I tato metoda vyÏadovala úzkostlivû ãistá mikroskopická sklíãka a peãlivou práci. Mikrobiologové v‰ak dosud nejsou s metodami barvení biãíkÛ spokojeni a stále je zlep‰ují a zkou‰ejí nové. Pozdûji uÏ elektronová mikroskopie umoÏnila pûkné snímky biãíkat˘ch bakterií, takÏe se dalo snadno sledovat rozloÏení biãíkÛ na tûle bakterie, jejich tvar a délka. Bakterie mohou mít jen jeden biãík na pólu, nebo jich mají víc, uspofiádan˘ch jako koÀsk˘ ohon. Biãíky mohou pokr˘vat celé tûlo bakterie, jako u salmonel Escherichia coli nebo u nûkter˘ch bacilÛ (obr. 5-1, v pfiíl.).

Pohon Elektronová mikroskopie pfiinesla pfiekvapivé skuteãnosti o struktufie biãíku a jeho mechanice. Obojí je velmi komplikované a tak dÛmyslné, Ïe to dodalo argumenty skeptikÛm o v‰eobecné planosti Darwinovy teorie ve prospûch teorie stvofiení. Tito vûdci argumentují tím, Ïe pro orgán s tak komplikovanou stavbou a funkcí nelze najít v˘vojovou fiadu. Jiní v‰ak pfiiná‰ejí dÛkazy, Ïe zpÛsob konstrukce biãíku je i u jin˘ch struktur v bakterii. Stavba pohonné jednotky biãíku a zpÛsob pohonu vypadá na první pohled jako nûkteré dÛmyslné lidské vynálezy z devatenáctého ãi dvacátého století. Biãík je tenké vlákno dlouhé asi 10 µm, pomûrnû tuhé (obr. 5-2, 5-3). Je sloÏeno z bílkoviny, jejíÏ stavební jednotky jsou na sebe ‰roubovitû naskládány. Vlákno se

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 25

5. Pohyb bakterií

25

5-2: Detail biãíkÛ a fimbrií na elektronoptickém snímku bakterie rodu Aeromonas. Biãíky jsou ostrá dlouhá vlákna, fimbrie tenãí a krat‰í v pozadí. Dobfie je patrná skladba obou útvarÛ (© 2008 EMLab P&K). > 5-3: Dlouhé, preparací neporu‰ené biãíky enterohemoragické Escherichie coli.

nepohybuje jako biã, v tom jméno vÛbec nevystihuje jeho povahu. Pohybuje se ‰roubovitou rotací po celé délce. V˘zkum mechanismu pohonu a fiízení pohybu biãíku dosud probíhá. Biãík je urãen asi 50 geny skladebn˘ch i funkãních bílkovin, které pohyb obstarávají. Kromû bílkoviny FliM pfiepínají rotaci je‰tû dvû podobné FliN a FliG. Není je‰tû pfiesnû prozkoumáno, jak˘m mechanismem obstarávají dal‰í bílkoviny krouticí sílu ani které bílkoviny to jsou.

Turbomotor bičíku Motor je složen ze šesti částí (obr. 5-4). Dvěma paralelními prstenci L a P je pevně usazen ve vnějším a periplasmovém prostoru. Prstence fungují jako ložisko, kterým prochází hřídel od motoru ke spojce. Pod nimi je ve vnitřní membráně umístěna vlastní dynamická jednotka, která funguje podobně jako elektromotor, jenže místo proudu elektronů ji uvádějí do rotace protony. Hřídel procházející ložiskem je na-

pojena na prstencovitou destičku S. Pod ní je prstenec M, který už prochází vnitřní membránou. Oba tyto prstence tvoří rotor motoru. Prstenec svisle postavených trnů, podepřených prstencovitou vrstvou C, tvoří stator. Proud protonů nebo iontů sodíku procházejících do buňky roztáčí rotor, ten přenáší točivý moment na hřídel a přes ohebnou spojku na vlastní bičík. Nyní se zdá struktura doplněná obrázkem nako-

Bakterie_001_51

26

9.10.2008

19:31

Stránka 26

Ze života bakterií

vlákno bičíku spojka

vnější membrána

cytoplasmatická membrána (vnitřní)

L prstenec ložisko P prstenec stator rotor

nec jednoduchá a jednoduše jsme také odbyli výklad energie působící na rotor. Na čem je dosavadní znalost založena? Anatomie složitého aparátu byla věrohodně zjištěna prokládáním několika desítek elek-

5-4: Model pohonné jednotky biãíku. Funguje podobnû jako elektromotor, jenÏe místo proudu elektronÛ ji uvádûjí do otáãivého pohybu protony. Také uspofiádání je obdobné, má stator, rotor a hnací hfiídel.

tronoptických snímků s vysokým rozlišením. Protonový pohon byl zjištěn elegantní a jednoduchou metodou sledování elektrochemických dějů působících přes buněčnou stěnu.

Hnací síla AÈ biãíky vyrÛstají jen na pólu, nebo prorÛstají celou buÀku, vÏdy tvofií pevn˘ svazek, kter˘ rotuje po ‰roubovici a pÛsobí na bakterii jako lodní ‰roub. Dlouhé vláknité buÀky bacilÛ nebo i E. coli se posunují pomaleji a je patrné úsilí pohánûjících biãíkÛ, které celou buÀkou pfii pohybu vpfied cloumají. Jindy se vláknitá buÀka celá tfiese a nemÛÏe se rozbûhnout, nûkdy pluje rychle a elegantnû a zmizí ze zorného pole. Biãíky E. coli spoleãnû rotují rychlostí asi 18 000 otáãek za minutu a posunují bakterií o 30 µm za vtefiinu. Nezdá se to rychlé, ale za vtefiinu urazí desetinásobek své délky, zatímco sprintér jen asi pûtinásobek. Automobil jedoucí rychlostí 100 km/hod pfiekoná svou délku také desetkrát, gepard ov‰em 25krát. U nûkter˘ch bakterií je rotace biãíkÛ aÏ pûtkrát rychlej‰í neÏ u E. coli a buÀka se posunuje aÏ o desetinu milimetru za vtefiinu. Za konstantních podmínek prostfiedí se biãíky toãí doleva a ãas od ãasu s urãitou frekvencí mûní smysl rotace. Pfii otáãení doprava je frekvence rotace jiná a pfii pozorování pohybu v optickém mikroskopu se dráha mûní jakoby chaoticky.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 27

5. Pohyb bakterií

27

Pro nûkteré situace pohybu neexistuje jasné vysvûtlení. Za konstantních podmínek v prostfiedí, kde je pohybliv˘ch bunûk více, ale mohou volnû putovat, lze napfiíklad u E. coli pozorovat ãil˘ pohyb vût‰iny bunûk souãasnû po v‰elijak˘ch klikat˘ch plynul˘ch drahách. V tlaãenici v‰ech pohybujících se bunûk se vût‰inou umnû sobû navzájem vyh˘bají. Narazí-li v‰ak pohybující se buÀka na jinou, byÈ nehybnou nebo putující napfiíã její dráhy, zastaví se a po chvíli odcouvá v téÏe ose zpût a nûkdy pfiímo bleskurychle vystfielí ve srovnání s pÛvodní normální rychlostí. ProtoÏe biãíky buÀku netáhnou, ale tlaãí, musí se biãíky pro takov˘ manévr obrátit a pfiitom rotovat ve stejném smyslu, a buÀku odtlaãit zpût. Mají bakterie pro tuto událost nûjak˘ signál a jaká je jeho regulace? Nûktefií mikrobiologové pfiedpokládají, Ïe bakterie mechanickou pfiekáÏku zji‰Èují fimbriemi typu IV. Není v‰ak pro to pfiesn˘ doklad. Nûkdy buÀka zmûní po nárazu smûr v ostrém úhlu a pokraãuje stejnou rychlostí dál, nûkdy zmûní smûr pomûrnû daleko od pfiekáÏky, jakoby po radarovém upozornûní. Nûkdy buÀka i pfii pohybu dosud normální rychlostí náhle vystfielí vpfied jako ‰ipka. V‰echny tyto situace ale nebyly studovány a ani to není dost dobfie moÏné. Spekulativní vysvûtlení není na místû, jiné v‰ak není.

Pohyb na pevném podkladu Bakterie se pohybují i jinak neÏ v prostfiedí tekutém, kde volnû plavou. âasto se pohybují jen v tenké kapilární vrstvû na Ïivém nebo neÏivém pevném povrchu. Tam také ãasto tvofií kolonie nebo biofilm. Mechanismus pohybu po pevném povrchu je rozmanit˘. Bakterie se mohu pohybovat klouzáním po hladkém povrchu, kter˘ si samy upravují, trhav˘m pohybem pomocí univerzální fimbrie a koneãnû i biãíky. Nûkdy se u jednoho druhu bakterie tyto zpÛsoby pohybu kombinují.

Od plavání k plazení Velmi pohybliv˘ mikrob Proteus mirabilis je vhodn˘m objektem studia pohybu. Bûhem solidního ustáleného rÛstu jsou buÀky pûknû uspofiádány, natûsnány jedna na druhou, v‰echny jsou krátké, stejnû velké o rozmûru asi 1 µm × 1–2 µm (obr. 5-5). Jsou jako plovoucí buÀky v pfiirozeném tekutém prostfiedí. Najednou se uvnitfi kolonie (obr. 5-6) i na jejím okraji buÀky zaãnou prodluÏovat aÏ do délky vlákna. Dokud nemají voln˘ prostor, jako by netrpûlivû rotují nebo se marnû proh˘bají (obr. 5-7, A, B, C, D, E). Mezi klidov˘mi buÀkami se mÛÏe aktivovat i více bunûk, které vytváfiejí ohnisko pfiekotného pohybu. V takovém ohnisku se dlouhé buÀky pohybují chaoticky a vypadá to, jako by pfiitahovaly okolní dlouhé buÀky, které se k nim

Bakterie_001_51

28

9.10.2008

19:31

Stránka 28

Ze života bakterií

5-5: Typ plovoucích bunûk. Paralelnû uspofiádané krátké buÀky Proteus mirabilis, stejné velikosti 1 µm × 1–2 µm.

5-6: Pfii pfiípravû k putování plazením z okraje kolonie se buÀky v kolonii i na jejím okraji prodluÏují do vlákna. BuÀka Proteus mirabilis uprostfied bunûk plovoucího typu v poãáteãní a pokroãilé fázi pfiechodu do plazivého typu.

pfiidávají a zaãínají se pohybovat stejnû chaoticky. Postupnû se zejména na okraji kolonie promûÀují dal‰í a dal‰í buÀky na nápadnû dlouhé plazivé buÀky a vydávají se na cestu. Mûfií 10–80 µm a mají tisíc aÏ deset tisíc biãíkÛ, které mohou b˘t i sedmkrát del‰í neÏ u bunûk obyãejn˘ch (obr. 5-8, 5-9). Biãíky mohou b˘t i pfies 5 µm dlouhé. Je zfiejmé, Ïe v kolonii probíhá nûjaké rozrÛznûní bunûk, a to v urãit˘ch periodách, jak vypl˘vá z tvorby vln. Na kolonii vznikají koncentrické lemy vût‰í optické hustoty (obr. 5-10, v pfiíl.).

5-7: Vláknitá plazivá buÀka uvûznûná okolními buÀkami plovoucího typu se prodluÏuje a zmítavû pohybuje. Fáze A, B, C, D, E rÛstu a pohybu buÀky Proteus mirabilis. Sledovaná buÀka oznaãena ‰ipkou.

5-8: Dlouhé plazivé buÀky Proteus mirabilis se pohybují a vydávají na cestu voln˘m prostorem.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 29

5. Pohyb bakterií

29

5-9: Plazivé buÀky putují vÏdy spoleãnû a tvofií silné svazky, které cestou pfiibírají dal‰í, dosud nepfiemûnûné buÀky.

5-11: Svazek si energicky razí cestu okolními klidov˘mi buÀkami a rozráÏí je. Hrot je obtoãen nûkolika ohnut˘mi buÀkami, které tak usnadÀují pohyb vpfied. Pohyb je kolektivní a je ãasovû i prostorovû koordinován.

5-12: Bakterie také pronikají do prostoru klouzav˘m pohybem. BuÀky se po sobû posouvají a pfiitom se dûlí, takÏe vzniká siln˘ v˘bûÏek, jenÏ je nástrojem kolonizace povrchu okolí.

5-13: Pozdûj‰í fáze klouzavého posunu z obr. 5-12.

K cestování po volné plo‰e se i buÀky v hust‰ím porostu uspofiádávají do svazÛ, jejichÏ hrot je obtoãen nûkolika buÀkami ohnut˘mi tak, Ïe sníÏením odporu usnadÀují pohyb vpfied. Cel˘ svazek si jako torpédo (obr. 5-11) energicky razí cestu okolními klidov˘mi buÀkami a rozráÏí je. BuÀky mohou putovat jen ve spoleãenství, jednotlivé buÀky samy na volné plo‰e necestují. Schopnost pohybu sice mají, ale pokud

Bakterie_001_51

30

9.10.2008

19:31

Stránka 30

Ze života bakterií

se pohybují, není jejich pohyb orientovan˘. Je zfiejmé, Ïe ‰ífiení plazením pfiedstavuje koordinovan˘ pohyb mnoha bunûk. Pfiemûnûné buÀky se kolektivnû pohybují vpfied a cel˘ proces konãí tím, Ïe se putující svazky postupnû oddûlují od ostatních. Jakmile se buÀky usadí, zaãnou se vracet do pÛvodní podoby. Ustává syntéza bílkovin biãíkÛ a jejich poãet se vrátí do pÛvodního stavu. Z plazivcÛ jsou opût normální buÀky. BuÀky cestují z okraje kolonie také klouzáním (obr. 5-12, 5-13), zpÛsobem ménû typick˘m pro mohutnû obrvené protey. Vysouvají se v paralelnû uspofiádan˘ch provázcích z porostu na okraji a posunují se po sobû vpfied i vzad, klouÏou jedna po druhé. V˘sledn˘ pohyb nakonec smûfiuje k periferii.

Mechanismy promûny v plazivé buÀky Promûna v plazivé buÀky nastává, kdyÏ buÀka zaznamená fyzikální podnût tak pevného média, Ïe se na nûm mÛÏe pohybovat. Ihned se zaãne prodluÏovat, produkuje velké mnoÏství bílkoviny, z níÏ tvofií enormní mnoÏství biãíkÛ. Tyto buÀky pak na sebe pÛsobí navzájem a pohybují se koordinovanû. Promûna plavcÛ v plazivé buÀky nastává také ve viskózním prostfiedí, kde se pohybují s velkou námahou, nebo kdyÏ jsou biãíky nûãím slepeny, tfieba protilátkami. V obou pfiípadech se biãíky nemohou pohybovat. Biãíky nemá buÀka jen k pohonu, ale také jako „dotykové ãidlo“, které reaguje na fyzikální povahu prostfiedí a má schopnost pfiená‰et informace pfiímo do buÀky. BuÀka odpoví tím, Ïe zapne geny odpovûdné za promûnu, zv˘‰í syntézu bílkoviny biãíkÛ a jejich poãet se zv˘‰í. Bílkovina biãíkÛ plaziv˘ch bunûk a normálních bunûk je stejná, signál je tedy namífien na transkripci regulaãních genÛ. Dal‰ím podnûtem, kter˘ buÀky pfiinutí k pfiemûnû a putování, jsou chemické signály v prostfiedí, a to zejména pfiítomnost glutaminu. Glutamin v‰ak nepÛsobí jen jako vábniãka, atraktant, ale je také nezbytn˘ pro pfiemûnu v plazivé buÀky. GenÛ, které se nûjak˘m (ne vÏdy zcela srozumiteln˘m) zpÛsobem na zmínûn˘ch zmûnách podílejí, je zatím známo více neÏ deset. Hlavní úlohu v promûnû hraje gen flaA, kter˘ urãuje syntézu bílkoviny biãíkÛ flagelinu. JestliÏe je po‰kozen mutací (viz text v rámeãku na dal‰í stranû), není schopen promûny. Takhle jednoduché to ale není. Po‰kozen˘ gen flaA mohou opravit dal‰í flagelinové geny, které mají pravdûpodobnû jen vedlej‰í roli. Gen flaA je na chromozomu umístûn v tandemu s genem flaB, jenÏ je jeho neaktivní kopií. Pfii po‰kození flaA s ním splyne ve flaAB a buÀka produkuje hybridní bílkovinu biãíkÛ.

Bakterie_001_51

9.10.2008

19:31

Stránka 31

5. Pohyb bakterií

31

Co prozrazují mutanty Nepostradatelnou metodou poznání mechanismu prodlužování je studium mutantů, které nemají schopnost se prodloužit. Studují se indukované mutanty s postižením několika funkcí. Jednak buňky s defekty v genu flaA, buňky neschopné dělení kvůli poruše tvorby stěny, buňky neschopné dělení pro poškození genu gidA a konečně buňky se změnou v genu určujícím syntézu dipeptidu z aminokyseliny prolinu (ten pravděpodobně přenáší signál k přeměně plovoucích buněk v plazivé). Hledání vlastního regulačního mechanismu přeměny není zatím úspěšné. V genomu byly nalezeny dvě regulační oblasti. Jedna určuje potřebný počáteční signál pro syntézu bičíkové bílkoviny flagelinu, druhá reguluje současně také syntézu ureázy, významného enzymu proteů, která je i faktorem virulence.

Mutanty rychlého nástupu. O řízení a načasování přeměny leccos prozrazuje existence zvláštních mutantů, které jsou připraveny k plazivému pohybu až o 60 minut dříve než normální typ. Pohybují se však stejně rychle, maximálně 7 mm za hodinu. Bakterie proto pokrývají plochu mnohem dříve, ačkoliv rychlost jejich putování není o nic vyšší. Reagují na stokrát nižší hustotu populace okolních buněk a udržují si svůj vláknitý charakter i ve fázi ustálení pohybu, tudíž k dalšímu plazení nepotřebují impulzy z okolí. Defekt vzniklý na chromozomu mutací byl již u těchto mutantů lokalizován a jeho oblast pojmenována. Jde o gen rsbA, jehož bílkovinný produkt působí jako senzor podmínek okolního prostředí, které spouštějí přeměnu. Reguluje tedy načasování přeměny pozitivně i negativně.

Z fiady dílãích pozorování vypl˘vá, Ïe pfii plazení je v˘znamná spolupráce bunûk. Úãelem pohybu je osídlení povrchu kolonií nebo biofilmem. Komunikace mezi buÀkami je jiÏ prozkoumána u mnoha bakterií.

Jako hadi Bakterie, které nemají biãíky, jsou odkázány na jiné zpÛsoby pohybu. KlouÏou podél své dlouhé osy, vût‰inou ve skupinû a rÛznou rychlostí, kolem 1 µm/s, ale i sprintem aÏ 10 µm/s. Mechanismus tohoto pohybu není zcela vysvûtlen, ale zdá se, Ïe pohyb se dûje tak, Ïe se stahuje vnûj‰í membrána bakteriálního tûla a/nebo fibrily bunûãné stûny. Napomáhá tomu i vyluãování kluzkého hlenu. ProtoÏe mechanismus nelze poznat pfiímo, neboÈ membrány ãi stûny v akci nelze spatfiit, napovûdûla nepfiímá metoda: bakteriím se pfii klouzavém pohybu poskytly na hraní malé kuliãky latexu a pozorovaly se v mikroskopu. Kuliãky se posunovaly stále kolem dokola po povrchu buÀky, nûkdy mûnily smûr a putovaly napfiíã buÀky. Îe jde o t˘Ï mechanismus, jak˘m se buÀka pohybuje, potvrdily nepohyblivé mutanty, které si s ku-

Bakterie_001_51

32

9.10.2008

19:31

Stránka 32

Ze života bakterií

liãkami nepohrávaly. Kuriózní mechanismus, jak se nedávno ukázalo, má Mycoplasma mobile. Orgány pohybu tu jsou dva bílkovinné v˘rÛstky na povrchu. Jedním se bakterie opfie o povrch a druh˘m se odstrãí s takovou energií, Ïe za sekundu popoleze aÏ o 4 µm.

Univerzální pomocník fimbrie IV buÀku také pohání Biãíky umoÏÀují buÀce plynul˘ pohyb ve zvoleném smûru a snad kromû funkce jak˘chsi tykadel k ohmatání okolních bunûk jí uÏ jinak neslouÏí. Nûkteré buÀky, které biãíky nemají, k pohybu pouÏívají mal˘ orgán, kter˘ k tomuto úãelu primárnû neslouÏí. Tento pfiívûsek je fimbrie, ov‰em fimbrie speciální. Oznaãuje se jako fimbrie IV ãili fimbrie ãtvrtého typu. Je umístûna na pólu buÀky a slouÏí k sbliÏování bunûk rÛzného pohlaví a následnému pfiitaÏení buÀky samiãí, aby vznikl tûsn˘ kontakt obou bunûk, po nûmÏ následuje pfiechod DNA do buÀky samiãí. Kromû toho se na ni pfiichycují bakteriofágy a moÏná se její dutinou dostává DNA do bakteriální buÀky. Dnes o tomto kroku existují pochybnosti. Fimbrie IV se úãastní autosegregace bunûk a tvorby biofilmu, coÏ jsou pfiíbuzné jevy. Má zfiejmû asi také funkci senzoru. Jak ale souvisí s pohybem? Fimbrie IV vychází z bunûãné membrány, je tenká asi 6 nm, to jest ‰est miliontin milimetru, a pomûrnû dlouhá – asi 4 µm. ProtoÏe je tak jemná, nelze ji bûÏnû vidût v optickém mikroskopu (obr. 5-14, v pfiíl.). Tfii vrstvy bílkovin jsou uspofiádány do ‰roubovice a pfiekryty jak˘msi pouzdrem. Z charakteru jejich uspofiádání plyne mechanická stabilita, ohebnost a schopnost zmûny konformace (obr. 5-15). Pohyb buÀky zprostfiedkovan˘ fimbriemi IV je trhav˘, na rozdíl od plynulého plavání nebo plazení. Trhav˘ pohyb závisí na fimbriích IV, protoÏe mutanty bez tûchto fimbrií se nepohybují. Svûdãilo pro to pozorování, Ïe buÀky s fimbriemi, které se nestahují, jsou nepohyblivé. BuÀky se pohybují kolektivnû a do pohybu se dají, aÏ kdyÏ se shromáÏdí a sefiadí paralelnû. Evidentnû musí reagovat na nûjak˘ signál reagující na senzor, jímÏ je fimbrie IV. Nûkolik desítek bunûk sefiazen˘ch do formace podobné voru se rychl˘m trhnutím pfiemístí. Bakterie schopné tohoto pohybu tvofií velké ploché kolonie, nepohyblivé mutanty vytváfiejí kolonie malé. Tak je to zfietelnû vyjádfieno napfiíklad u Pseudomonas aeruginosa. Fimbrie IV se mohou smr‰Èovat. Smr‰Èují se, kdyÏ se dotknou jiné buÀky, kdyÏ se na nû adsorbuje bakteriofág nebo pfii dotyku neÏivé podloÏky. Vyvíjejí pfiitom velkou sílu. Zatímco molekula myosinu svalové buÀky, coÏ je základní jednotka stahu svalu, vyvíjí sílu 5 pN, fimbrie IV se stahuje silou vût‰í neÏ 100 pN. Trhav˘m pohybem se pfiemísÈují bakterie více neÏ deseti studovan˘ch druhÛ – Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae, pÛvodce kapavky, Neisseria me-

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.