Морфолого-культуральні ознаки, екологія та практичне значення бактерій Rhodobacter sphaeroides

КУРСОВА РОБОТА

Морфолого-культуральні ознаки, екологія та практичне значення бактерій Rhodobacter sphaeroides

Вступ

бактерія клітина генетика біохімічний Переважно зелений колір біосфери свідчить про істотну роль фотосинтезу на Землі. За допомогою цього процесу рослини перетворюють світлову енергію в хімічну. Ця можливість, проте, не обмежується рослинами. Деякі бактерії також можуть виконувати це перетворення енергії для їх росту і розвитку.

Бактерії - одна з основних груп живих організмів. Це мікроскопічні, переважно одноклітинні організми, для яких характерна наявність клітинної стінки, цитоплазми, різних включень, відсутність ядра, мітохондрій, пластид та інших органел. Вони звичайно мають клітинні стінки, як рослинні та грибні клітини, які зазвичай побудовані з пептидогліканів. Більшість з них дуже малі, звичайно тільки 5−10 мкм.

В цій роботі розглянуто бактерії, які здатні до фотосинтезу, одними з яких є пурпурні бактерії.

Пурпурні бактерії - фотозинтезуючі бактерії, які використовують бактеріохлорофіл a і b та інші каротиноїди для цього процесу. Ці пігменти надають бактеріям кольори, розташовані між пурпурним, червоним, коричневим та помаранчевим кольорами. Фотосинтез має місце в реакційних центрах на цитоплазматичній мембрані. Всі ці бактерії належать до типу Протеобактерії. Протеобактерії - це одна з основних груп бактерій. Вони налічують п’ять підрозділів, названими за грецькими літерами від альфа до епсілон за послідовністю рРНК.

Rhodobacter — рід бактерій класу альфа-протеобактерій. Включає види, які мають широкий ряд метаболічних здібностей. У таксономії, Rhodobacter є родом Rhodobacteraceae. Як і всі протеобактерії, вони грамнегативні. Метаболізм багатьох видів має значний інтерес, особливо у зв’язку зі створенням поновлюваних джерел енергії. Rhodobacter sphaeroides є одним з найбільш ключових організмів у вивченні бактеріального фотосинтезу. Вони не вимагають ніяких незвичайних умови для росту і є неймовірно ефективними.

1. Характеристика Rhodobacter sphaeroides

1.1 Історія виділення та дослідження

Пурпурні бактерії є однією з перших форм життя на Землі. Вони були виявлені при вивченні безкисневого фотосинтезу. Було доведено виділення ними в якості побічного продукту фотосинтезу не кисню, а сірки. Так в експериментах спочатку виявили реакцію бактерій на різні концентрації кисню. Виявилося, що навіть при дуже маленькому вмісті його в середовищі бактерії переміщалися в безкисневу зону чашок Петрі. Потім на одну сторону чашки фокусували світло, залишаючи іншу темною — бактерії прагнули переміститися в світлову зону. Вид Rhodobacter sphaeroides був виділений з глибоких озер і стагнації води. У 1975 році вчені Бленкеншіп Р.Е., Медіген, M.T. і Бауер А. Л. виявили надзвичайну метаболічну різноманітність цих бактерій: фотосинтетичний або гетеротрофний ріст через аеробне або анаеробне дихання. У 1976 році Нідерман Р.А., Маллон Д.Є., Ланган Дж. Дж. відкрили світові непереносимість Rhodobacter sphaeroides надмірної інтенсивності світла, яка викликала фізіологічну і морфологічну адаптацію, включаючи реконструкції цитоплазматичних мембран. У 1989 році С. Капланом була виявлена цікава генетична будова Rhodobacter sphaeroides: він має дві хромосоми, різні за розміром.

1.2 Морфологічні ознаки клітин Rhodobacter sphaeroides

Клітини бактерій Rhodobacter sphaeroides паличкоподібні, зазвичай, із звуженням посередині, середньої товщини, мають тупі кінці, з'єднані у ланцюжки. Довжина клітини варіюється від 2 до 5 мкм:

Рис. 1.1. Rhodobacter sphaeroides під мікроскопом

1.3 Будова бактерій Rhodobacter sphaeroides

Розглянемо будову Rhodobacter sphaeroides на прикладі типової бактеріальної клітини.

:

Рис. 1.2. Будова бактеріальної клітини Бактеріальна клітина обмежена оболонкою. Внутрішній шар оболонки представлений цитоплазматичної мембраною, над якою знаходиться клітинна стінка. Клітинна стінка товста, щільна, жорстка, складається з муреїну (головний компонент) та інших органічних речовин. Муреїн являє собою правильну мережу з паралельних полісахаридних ланцюгів, зшитих один з одним короткими білковими ланцюжками. Залежно від особливостей будови клітинної стінки бактерії поділяються на грампозитивні і грамнегативні. Rhodobacter sphaeroides належить до грамнегативних. Внутрішній простір заповнений цитоплазмою. Генетичний матеріал представлений кільцевими молекулами ДНК. У бактеріальній клітині відсутні всі мембранні органели, характерні для еукаріотичної клітини (мітохондрії, пластиди, ЕПС, апарат Гольджі, лізосоми). У цитоплазмі бактерій знаходяться рибосоми 70S-типу. Кожна рибосома складається з малої (30S) і великої субодиниць (50S). Функція рибосом: складання поліпептидного ланцюжка.

Проте Rhodobacter sphaeroides, як представник пурпурних бактерій, має деякі особливості будови.

Рухливість в Rhodobacter sphaeroides досягається за допомогою одного приполярного джгутика, що дозволяє йому обертатися в напрямку за годинниковою стрілкою з швидкістю, повільно або зупинятися.

Рис. 1.3. Особливості будови та розміщення джгутиків у різних родів пурпурних бактерій: 1 — Rhodospirillum; 2 — Rhodomicrobium; 3 — Rhodobacter sphaeroides; 4 — Rhodocyclus; 5 — Rhodopseudomonas palustris

Однією з основних відмінностей клітини бактерій від клітини еукаріотів є відсутність ядерної мембрани і, як було зазначено вище, відсутність взагалі мембран всередині цитоплазми. Відсутність внутрішніх мембран у бактеріях означає, що реакції, відбуваються через цитоплазматичну мембрану, між цитоплазмою і периплазмою. Проте, у деяких фотосинтезуючих бактерій існує розвинена мережа фотосинтетичних мембран — похідних від цитоплазматичної мембрани. У пурпурних бактерій вони зберегли зв’язок з цитоплазматичною мембраною, що легко виявляється на зрізах під електронним мікроскопом.

Рис. 1.4. Типи фотосинтетичних мембран у фотосинтезуючих бактерій: 1−4 — у пурпурних бактерій, 5 — у зелених сіркобактерій Для клітин Rhodobacter sphaeroides характерна дуже добре розвинена система внутрішньо-цитоплазматичних фотосинтетичних мембран. Найчастіше мембрани мають вигляд окремих бульбашок, які розташовані по периферії клітини.

Рис. 1.5. Внутрішньо-цитоплазматичні фотосинтетичні мембрани Rhodobacter sphaeroides

1.4 Генетичні особливості Rhodobacter sphaeroides

Rhodobacter sphaeroides викликав великий інтерес в науковому співтоваристві завдяки своїм унікальним генетичним складнощам. Еволюція вимагає налаштування і розвитку ДНК деяких організмів з метою адаптації до мінливих умов, але іноді зміни в генетичному матеріалі можуть представляти страшні наслідки для організму. Деякі дослідники припускають, що ці проблеми можна уникнути наявністю генетичних «безпечних зон», які дозволяють ДНК змінитись, не зачіпаючи сам організм. Rhodobacter sphaeroides може дати уявлення про це для вчених, тому що він володіє двома хромосомами: однією великою і однією меншою. Ця менша хромосома має набагато нижчий інформативний зміст, ніж більша, і може служити в якості резервуара сортів, що дозволяє ДНК бактерій виконати необхідні перетворення.

1.5 Екологія Rhodobacter sphaeroides

Різні методи в диханні та обміні речовин дозволяють представникам цього виду вижити в ряді різних місць проживання. Rhodobacter sphaeroides знаходиться в ґрунті, в безкисневих зонах вод, бруді, мулу і в органічно багатих водних місцях проживання. Особливо багато їх можна знайти на дні озер, річок і ставків, а також на коралових рифах.

Rhodobacter sphaeroides здатний до хемоавтотрофії. Він росте на мінеральному середовищі в темряві при зниженій концентрації О₂, використовуючи енергію, одержувану при окисленні молекулярного водню.

1.6 Фізіолого-біохімічні ознаки Rhodobacter sphaeroides

Метаболічна різноманітність пророкує існування складних регуляторних механізмів, які використовуються організмом у виявленні найбільш ефективних методів використання і збереження вуглецю та енергії в різних середовищах. Зокрема, Rhodobacter sphaeroides багато вивчається в якості модельного організму для безкисневого фотосинтезу і фіксації вуглецю.

Безкисневий фотосинтез. Головною властивістю всіх пурпурних бактерій і зокрема Rhodobacter sphaeroides є безкисневий фотосинтез.

Безкисневий фотосинтез (англ. anoxygenic) — варіант фотосинтезу (процесу утворення органічних речовин на світлі), при якому, на відміну від кисневого фотосинтезу, не відбувається синтезу молекулярного кисню.

Для здійснення такого синтезу бактерії мають систему внутрішньо-цитоплазматичних фотосинтетичних мембран. Ці мембрани містять особливий пігмент — бактеріохлорофіл (хлорофіл, який наявний тільки у бактерій). Всі групи, які містять бактеріохлорофіл, здійснюють фотосинтез, але не виділяють кисень. Вони використовують світлові хвилі такої довжини, що не поглинаються рослинами або ціанобактеріями.

Бактеріохлорофіл поділяється на декілька видів в залежності від довжини світлової хвилі, яку вони поглинають (назви від a до g). Rhodobacter sphaeroides має пігмент бактеріохлорофіл b. Його максимум поглинання в червоній частині спектра доводиться на 1020−1030 нм. Далі бактеріохлорофілу b не поглинає ні один відомий фотосинтетичний пігмент.

Для безкисневого фотосинтезу потрібна наявність у зовнішньому середовищі відновлених субстратів, наприклад, сірководню, сірки, тіосульфату, органічних сполук або молекулярного водню. В більшості випадків сульфід окислюється тільки до молекулярної сірки, яка ніколи не відкладається в клітині. Найчастіше Rhodobacter sphaeroides в якості донору електронів використовує молекулярний водень.

Реакція на інтенсивність світла. Зміни в інтенсивності світла викликають фізіологічні та морфологічні адаптації, включаючи цитоплазматичні реконструкції мембрани. Справді, у присутності слабо інтенсивного світла, клітина розвиває внутрішньоклітинні фотосистеми. При збільшенні кількості мембран в клітині, вони здатні більш ефективно використовувати доступне світло. Але, як не дивно, при збільшенні інтенсивності світла, вони якби «відвертаються» від нього. Адже дуже інтенсивне випромінювання може пошкодити і навіть убити ці бактерії. На даний момент вже прорахована так звана «критична інтенсивність світла», нижче якої клітина «тягнеться» до світла і збільшує кількість внутрішньоклітинні фотосистем. Це точка максимальної ефективності для клітини, так як вона прагне захопити і перетворити максимальну кількість світла і при цьому витратити на процес найменшу кількість енергії.

2. Практичне значення Rhodobacter sphaeroides

Rhodobacter sphaeroides здатний до водневого виробництва. Є багато робіт, які описують спроби дослідників розвинути напругу Rhodobacter sphaeroides, який в змозі виробляти водень — потенційне біопаливо, використовуючи світло як джерело енергії.

2.1 Поновлювальні джерела енергії

Австралійські вчені повідомляють про відкриття способу отримання практично невичерпної кількості дешевої енергії. Суть запропонованої технології полягає у використанні сонячного світла для гідролізу води та отримання водню, який далі буде використовуватися як пальне для паливних елементів.

Рослини мають механізм засвоювання сонячного світла — фотосинтез. І, як виявилося, можна змусити білки віддавати «сонячну» енергію безпосередньо в електромережу. Незвичайні сонячні батареї створені в лабораторії органічної оптики та електроніки (Laboratory of Organic Optics and Electronics) Массачусетського технологічного інституту.

Команда біологів і інженерів під керівництвом професора Марка Балдо вирішила, що рослинні білки можуть виробляти електрику, якої вистачить для зарядки акумуляторів, наприклад, ноутбука. В якості природного перетворювача світла в електрострум вчені використовували фотосинтетичні білки, витягнуті з хлоропластів листя шпинату і з бактерій Rhodobacter sphaeroides.

Потрібно було помістити білки у відповідне середовище, яке змусить білки думати, що вони все ще всередині організму. Для цього творці біофотокомірок застосували штучний матеріал, створений молекулярним біологом MIT Шугуан Чжан. Матеріал являє собою штучні пептиди, здатні самозбиратися в структури, схожі на клітинні мембрани. Захисні молекули сформували щит навколо фотосинтетичних білків, завдяки чому вони змогли якийсь час існувати в сонячній батареї.

На жаль, незважаючи на всі хитрощі, білки давали струм лише 21 день. І, не дивлячись на таку неефективність, є деякі перспективи. ККД склав 12%. За сучасними уявленнями — не так вже й багато. Але автори роботи вважають, що його можна підняти до 20%, а це у поєднанні з низькою вартістю виготовлення — вже серйозна заявка на те, щоб потіснити напівпровідникові сонячні панелі. До того ж, вся установка не забруднює повітря і не сприяє посиленню парникового ефекту.

А для того, щоб батареї довше служили, можна придумати технологію самовідновлення, створивши фактично штучний «зелений лист», який збирає сонячну енергію, але замість звичного виробництва біомаси направляє її в дроти. Якщо ця проблема буде вирішена, то по терміну служби білкові сонячні панелі навіть перевершать напівпровідникові, які на самовідновлення не здатні.

2.2 Можливе використання Rhodobacter sphaeroides

1. Виробництво індолу в анаеробних умовах. Rhodobacter sphaeroides використовується для виробництва індолу та його похідних від антранілату. Індол — ароматичне з'єднання, яке може бути корисним для росту і виробництва цінних компонентів. Воно використовується в якості головного комерційного джерела матеріалу, який збільшує виробництво рослинного гормону і рисового врожаю.

2. Витяг каротиноїдів. Каротиноїди — природні склади, знайдені у фотосинтетичних бактерій, зокрема у Rhodobacter sphaeroides. Дослідження виявили, що каротиноїди, які мають антиокислювальну діяльність і функцію провітаміну А, в стані уповільнити різні типи раку і захистити від серцево-судинного захворювання.

3. Виробництво наночастинок ZnS. Rhodobacter sphaeroides використовується, щоб синтезувати наночастинки ZnS, 8 нм в діаметрі. Ці наночастинки ZnS часто використовуються як промисловий матеріал в оптичних пристроях IR. Наприклад, можна використовувати їх в клінічних умовах в якості біологічних зондів в експертизах.

4. Виробництво біопластику. Інтерес до фотосинтетичної потужності Rhodobacter sphaeroides спонукало дослідників оцінити його потенціал для виробництва біопалива та біопластика. Rhodobacter sphaeroides здатний виробляти полігідроксібутірат, полімер 3-оксибутирата. Потенціал використовувати світло як джерело енергії для виробництва біопластмаси з Rhodobacter sphaeroides продовжує спокушати вчених.

Висновки

1. В ході огляду літературних даних встановлено, що бактерії Rhodobacter sphaeroides — одноклітинні прокаріотичні мікроорганізми, які належать до групи пурпурних бактерій, здатні здійснювати безкисневий фотосинтез.

2. Rhodobacter sphaeroides росте в темряві при зниженій концентрації О₂, використовуючи енергію, одержувану при окисленні молекулярного водню.

3. Rhodobacter sphaeroides має унікальну генетичну будову: дві хромосоми, велику і маленьку. Це дозволяє ДНК в процесі еволюції адаптуватись до мінливих умов, не зачіпаючи сам організм.

4. Rhodobacter sphaeroides знаходиться в ґрунті, в безкисневих зонах вод, бруді, мулу і в органічно багатих водних місцях проживання.

5. Метаболізм Rhodobacter sphaeroides має значний інтерес у зв’язку зі створенням поновлюваних джерел енергії, виробництвом біопластику, індолу в анаеробних умовах, наночастинок ZnS.

Список літератури

1. Е. Кондратьева. Фотосинтезирующие бактерии и бактериальный фотосинтез. — М.: МГУ, 1972. — 76 с.

2. Г. Шлегель. Общая микробиология. — М: «Мир», 1972. — 559 с.

3. Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. 4-е изд., стер. — М.: Академия, 2003. — 464 с.

4. M. Madigan, J. Martinko. Brock Biology of Microorganisms. — New Jersey, 2005. — 215 c.

5. Garrity GM, Holt JG. Taxonomic Outline of the Archaea and Bacteria. — New York, 2001. — 166 с.

6. Пиневич А. В. Микробиология. Биология прокариотов. Том 1 — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2006. — 352 с.

7. Лысак В. В., Микробиология. — Минск: изд. БГУ, 2007. -430 с.

8. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. — М: «Мир», 2002. — 577 с.