Znajdź zawartość

Bakterie wykorzystują swój wewnętrzny zegar biologiczny, by przygotować się na zmianę pór roku. Odkrycie, dokonane przez naukowców z John Innes Centre, może mieć olbrzymie znaczenie dla zrozumienia roli rytmu dobowego w dostosowywaniu się do zmian klimatu. Nie tylko u bakterii, ale u wielu innych organizmów. Naukowcy prowadzili swoje eksperymenty na cyjanobakteriach. Organizmy trzymano w stałej temperaturze, a za pomocą oświetlenia symulowano długość dnia i nocy. Część cyjanobakterii doświadczyła krótkich dni (8 godzin światła i 16 godzin ciemności), część była trzymana w warunkach takiej samej długości dnia i nocy, a na części symulowano długie dni i krótkie noce. Następnie szalki laboratoryjne włożono na 2 godziny do lodu, a po tym czasie zbadano, ile bakterii przeżyło niskie temperatury. Okazało się, że na tych szalkach, na których bakterie doświadczały krótkich dni i długich nocy, przeżywalność wyniosła 75%, czyli nawet 3-krotnie więcej niż na pozostałych szalkach. Co ciekawe, jeden symulowany krótki dzień nie wystarczył, by cyjanobakterie nabrały odporności na zimno. Potrzebnych było kilka takich dni, optymalnie 6–8, by mikroorganizmy zdążyły się odpowiednio przygotować. Naukowcy potwierdzili, że decydującą rolę odgrywa tutaj zegar biologiczny, gdyż po usunięciu genów odpowiedzialnych za jego działanie przeżywalność bakterii w lodzie była identyczna, bez względu na symulowaną długość długość dnia, jakiej zostały poddane. To pokazuje, że w naturze bakterie wykorzystują wewnętrzny zegar do mierzenia długości dnia i gdy liczba krótkich dni osiąga pewną wartość – jak ma to miejsce jesienią – bakterie przełączają się w inny stan fizjologiczny, oczekując nadejścia zimowych warunków, mówi główna autorka badań, doktor Luisa Jabbur. O istnieniu zegara biologicznego u bakterii wiedzieliśmy już wcześniej. Teraz przeprowadzono pierwsze badania dowodzące, że mikroorganizmy wykorzystują go do przygotowania się na zmiany pór roku. Odkrycie otwiera też nowe pola badawcze. Cyjanobakterie żyją bowiem 6–24 godzin. Powstaje więc pytanie, w jaki sposób tego typu organizm wyewoluował mechanizm przewidujący zmiany pór roku i jak z niego korzysta. Wygląda na to, że przekazują one kolejnym pokoleniom informacje, że dni stają się coraz krótsze i trzeba coś z tym zrobić, mówi Jabbur. Uczona wraz z zespołem prowadzi badania nad fotoperiodyzmem, czyli fizjologiczną reakcją organizmu na zmianę proporcji okresów ciemności i światła. Wykorzystuje szybko namnażające się cyjanobakterie w nadziei, że zdobyta w ten sposób wiedza przyda się do zrozumienia, jak fotoperiodyzm może ewoluować w obliczu zmian klimatu, szczególnie w odniesieniu do najważniejszych roślin uprawnych. Niezwykle istotnym elementem tych badań jest próba zrozumienia mechanizmów pamięci molekularnej, które pozwalają przekazywać istotne informacje pomiędzy pokoleniami. « powrót do artykułu

Nie tylko nowy gatunek, ale też zupełnie nowy rodzaj - czyli wyższą taksonomicznie jednostkę - cyjanobakterii odkrył zespół naukowców kierowany przez polską badaczkę dr hab. Iwonę Jasser, prof. UW z Wydziału Biologii UW. Ta niepodobna do żadnego znanego wcześniej gatunku sinica zamieszkuje geotermalne źródło Gór Pamiru Wschodniego (Tadżykistan). Zdaniem jej odkrywców może się ona okazać nie tylko nową linią ewolucyjną sinic, ale także potencjalnym producentem cennych substancji bioaktywnych. Artykuł dotyczący nowego organizmu - oraz innych wyizolowanych ze środowisk geotermalnych na Islandii, w Polsce, Grecji i Tadżykistanie – ukazał się w czasopiśmie Molecular Phylogenetics and Evolution. Opisane w publikacji wyniki dotyczą badań, prowadzonych przez trzy różne zespoły. Jednym, z Instytutu Biologii Środowiskowej Wydziału Biologii UW, kierowała prof. Jasser, drugim kierował prof. Spyros Gkelis z Uniwersytetu w Salonikach (Grecja), a trzecim – prof. Mikołaj Kokociński z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Wszyscy interesowaliśmy się badaniem gorących źródeł, ponieważ wydawało nam się, że mogą one zawierać nowe, ciekawe cyjanobakterie. W moim przypadku zaczęło się od tego, że badając Góry Pamiru Wschodniego przypadkowo natknęłam się na niezwykłe źródło geotermalne: na długości blisko 200 m pokryte było bardzo grubą warstwą zielono-brązowego ’kożucha' – opowiada prof. Jasser. Wyglądał niesamowicie. Uznaliśmy, że na pewno warto zbadać go bliżej, bo musi to być coś niespotykanego. Fragment owego „kożucha”, który w istocie był matą mikrobialną, naukowcy przywieźli do Polski. Przebadali go mikroskopowo, biochemicznie i molekularnie, a także sprawdzili, jakie organizmy uda się z niego wyizolować. Tak jak podejrzewali, z maty udało się wyizolować cyjanobakterie, które następnie zaczęto hodować w laboratorium. Hodowla organizmów z takich specyficznych, ekstremalnych środowisk jest bardzo trudna, ponieważ nie jesteśmy w stanie zapewnić im takich warunków, w jakich żyją naturalnie - nawet, jeśli zadbamy o odpowiednio wysoką temperaturę itp. Każda tego typu izolacja i hodowla, którą uda się przeprowadzić, to duży sukces. I właśnie tym razem nam się udało – mówi dr Jasser. Choć morfologicznie pojedyncze osobniki nie wyglądały szczególnie interesująco czy wyjątkowo, to analizy molekularne (na podstawie DNA) wykazały, że przywiezioną z Tadżykistanu cyjanobakterię bardzo trudno przypasować do którejś z istniejących grup taksonomicznych. Kiedyś taksonomia sinic opierała się wyłącznie na ich cechach morfologicznych, przede wszystkim kształtach i sposobie organizacji komórek – tłumaczy autorka publikacji.  Dzieliliśmy je na sinice nitkowate, kokkalne, nitkowate z heterocytami (wyspecjalizowanymi komórkami do asymilacji azotu z powietrza), nitkowate rozgałęzione, a nawet takie, które tworzą złożone, trójwymiarowe struktury zbudowane z wielu nici. Później okazało się, że w procesie ewolucji, czyli na przestrzeni milionów lat, sinice naprzemiennie traciły i ponownie zyskiwały swoją złożoną, wielokomórkową budowę. Dlatego podział w oparciu o cechy morfologiczne okazał się zupełnie niewystarczający. Dziś wiemy, że pomimo takiego samego wyglądu cyjanobakterie mogą przynależeć do bardzo różnych rzędów. Dopiero analizy DNA ujawniają prawdziwe pokrewieństwo między tymi organizmami. Tak było w przypadku sinicy odkrytej w górach Pamiru. Badania molekularne ujawniły, że nie można jej zakwalifikować do żadnego znanego wcześniej gatunku cyjanobakterii. Mało tego - okazała się niepodobna nawet do żadnego opisanego rodzaju! Naukowcy szybko zrozumieli, że odkryli nową grupę organizmów. Niezwykłą sinicę nazwali Hillbrichtia pamiria. Pamiria – od miejsca, w którym ją znaleziono, Hillbrichtia – od nazwiska nieżyjącej już polskiej hydrobiolożki prof. Anny Hillbricht-Ilkowskiej. Nazwaliśmy ją na cześć mojej mentorki naukowej prof. Hillbricht-Ilkowskiej. Była znanym nie tylko w Polsce, ale i na świecie, ekologiem i hydrobiologiem; przez dwie kadencje pełniła funkcję wiceprezesa Societas Internationalis Limnologiae, najważniejszej na świecie organizacji limnologicznej. Była też opiekunką mojej pracy doktorskiej i moim wielkim autorytetem. Chciałam ją upamiętnić jako wspaniałego naukowca i wspaniałą osobę – podkreśla dr Jasser. Na razie dość skromnie stwierdziliśmy, że Hillbrichtia to nowy rodzaj. Jednak nawet na wyższym poziomie trudno znaleźć dla niej odpowiednią grupę. Niewykluczone więc, że może być nawet nowym rzędem – podkreśla autorka badania. Aby to stwierdzić, trzeba będzie znaleźć podobne do niej organizmy. Wtedy wszystko się wyjaśni. Poza H. pamiria w omawianej publikacji opisano jeszcze dwa inne zupełnie nowe gatunki cyjanobakterii i drugi nowy rodzaj. Ten ostatni odnalazł w Grecji zespół prof. Gkelisa. Jeśli chodzi o Hillbrichtia, to już na pierwszy rzut oka widać było, że to wyjątkowy organizm. Budowała maty mikrobialne, jakich wcześniej nie widzieliśmy; mogła rosnąć w bardzo wysokich temperaturach, ale - co ciekawe - także w dużo niższych. U źródła badanego przez nas strumienia termalnego temperatura dochodziła do 50 st. C, ale już 200 metrów dalej miała zaledwie 28 st. C. A sinica w obu tych miejscach bardzo dobrze sobie radziła. Oznacza to, że ma bardzo duże możliwości przystosowawcze – opowiada naukowczyni. Jak wyjaśnia, maty mikrobialne (inaczej mikrobiologiczne) to wielowarstwowe arkusze złożone z wielu biofilmów, które się na siebie nakładają. Biofilmy te tworzone są głównie przez cyjanobakterie, choć kolejne warstwy mogą być zdominowane przez różne inne mikroorganizmy. Podstawą maty są sinice, ponieważ po pierwsze - są one producentami pierwotnymi, czyli fotosyntetyzują, dostarczają węgla organicznego, jako producenci stanowią podstawę sieci troficznej, a po drugie - potrafią tworzyć bardzo duże kolonie o specyficznej strukturze i dużej ilości pozakomórkowego śluzu (związków egzopliweglowodanowych), które stanowią miejsce do życia dla kolejnych organizmów – mówi dr Jasser. Obok sinic zaczynają rozwijać się inne organizmy fotosyntetuzujące: glony eukariotyczne, jak zielenice czy okrzemki, a później także organizmy heterotroficzne: archeony, bakterie beztlenowe. Mogą się też rozwijać autotroficzne bakterie ale tym razem beztlenowe i nie wydzielające tlenu. W efekcie w takiej macie istnieje wiele różnych warstw, a tworzące je organizmy pełnią bardzo różne role. Maty mikrobialne tworzone m.in. przez sinice uwalniające tlen w procesie fotosyntezy były jednymi z pierwszych zespołów organizmów, które żyły na Ziemi i których ślady możemy oglądać. Istniały one już ok. 3-3,5 miliarda lat temu i przez długi czas były jedynymi i najważniejszymi ekosystemami na naszej planecie. I to początkowo dzięki sinicom powstała ziemska atmosfera. Sinice również – na drodze endosymbiozy – stały składnikiem innych, eukariotycznych fotosyntetyzujących organizmów. Autorzy publikacji zajęli się także porównaniem cyjanobakterii wyizolowanych z mat przywiezionych z kilku różnych gorących źródeł: tadżyckiej maty dr Jasser, maty zespołu prof. Kokocińskiego (znalezionej koło Uniejowa) oraz dwóch mat grupy prof. Gkelisa: greckiej i islandzkiej. Zaczęliśmy porównywać właściwości ekofizjologiczne wyizolowanych przez nas sinic; sprawdzaliśmy ich przynależność filogenetyczną. Chcieliśmy też zbadać, czy i jakie geny kodujące biała szoku cieplnego oraz enzymy syntazy polikedytowe (PKS) i pozarybosomalne syntetazy peptydowe (NRPS) są obecne w naszych cyjanobakteriach – opowiada dr Jasser. Wyjaśnia, że biała szoku cieplnego (ang. heat shock proteins, Hsp) oraz enzymy PKS i NRPS to specyficzne związki, których ekspresja nasila się w warunkach stresu, np. bardzo niskiej lub bardzo wysokiej temperaturze, silnego zasolenia, obecności metali ciężkich. To, że badane sinice pochodziły z gorących źródeł, pozwalało naukowcom przypuszczać, że posiadają one takie białka. Przypuszczenia szybko się potwierdziły. Dodatkowo ustalono, że te sinice, które miały po trzy geny kodujące Hsp – oraz w których obecne były geny kodujące PKS i NRPS, najlepiej radziły sobie w wysokich temperaturach. Co ciekawe, geny kodujące PKS i NRPS należą do grupy genów związanych również z produkcją toksyn. Jest to zgodne z funkcjonującą w środowisku naukowym hipotezą, że geny związane ze szlakami biosyntezy toksyn pozwalają mikroorganizmom przystosowywać się do trudnych środowisk – podkreśla dr Jasser. W trakcie eksperymentów okazało się, że Hillbrichtia pamiria produkuje jeszcze inną, wyjątkowo ciekawą, substancję. To debromoaplazjatoksyna, substancja, o której wiadomo, że może wywoływać reakcje uczuleniowe, np. silne swędzenie, lub wywoływać efekt, jak po poparzeniu. Dodatkowo badania na myszach ujawniły, że sprzyja ona tworzeniu się guzów nowotworowych i innych zaburzeń prowadzących nawet do śmierci zwierząt. Jednocześnie ten sam związek – o ile laboratoryjnie pozbawi się go pewnych elementów – wykazuje działanie zupełnie odwrotne: może hamować rozwój komórek rakowych. To niezwykle ciekawy związek, a my potwierdziliśmy, że ta konkretna sinica go produkuje – zaznacza się dr Jasser. Co ciekawe, nie udało się go stwierdzić w warunkach naturalnych, czyli w macie przywiezionej z Pamiru, a dopiero w hodowli laboratoryjnej. Na pewno, więc warto poddać Hillbrichtia jeszcze bardziej szczegółowym analizom biochemicznym, ale też genetycznym, aby sprawdzić, czy nie wytwarza jeszcze jakichś innych ciekawych związków biologicznie czynnych – dodaje badaczka. « powrót do artykułu

Niepozorna morska bakteria może stać się w przyszłości źródłem paliwa. Cyanothece 51142, jednokomórkowy organizm z gromady cyjanobakterii, potrafi produkować duże ilości wodoru. Dotychczas wszystkie znane organizmy produkujące wodór wytwarzały go wyłącznie w środowisku beztlenowym, co czyniłoby ich przemysłowe wykorzystanie bardzo drogim. Cyanothece 51142 została odkryta u wybrzeży Teksasu w 1993 roku. Teraz Himadri Pakrasi z Washington University w St. Louis zauważył, że jej cykl dobowy - a cyjanobakterie to jedyne prokarioty mające zróżnicowany cykl dobowy - składa się z dwóch części. Wszystkie cyjanobakterie są w stanie wiązać atmosferyczny węgiel, ale cyanothece 51142 jest wyjątkowa, gdyż potrafi wiązać też azot. Dzięki temu bakteria jest w stanie przeżyć w różnych środowiskach, gdyż łatwiej potrafi się do nich dostosować. Jedynym problemem jest fakt, że nitrogenaza, enzym służący do wiązania azotu, jest bardzo wrażliwa na tlen. To powoduje, że proces wiązania węgla - a zatem fotosynteza - którego produktem ubocznym jest produkcja tlenu, musi być oddzielony od procesu wiązania azotu. Bakteria radzi sobie z tym wykorzystując rytm dobowy. W ciągu dnia przeprowadza fotosyntezę emitując tlen, a w nocy wiąże azot, emitując wodór. Proces ten jest bardzo wydajny, na każdą molekułę azotu organizm emituje molekułę wodoru. Oba procesy napędzają się wzajemnie. Glikogen, który bakteria produkuje za dnia, jest zużywany do wiązania azotu w nocy. Gdy nadchodzi dzień, związany azot używany jest do tworzenia protein go zawierających. Ścisłe oddzielenie obu procesów powoduje, że nie konkurują one ze sobą. W ciągu nocy bakteria metabolizuje glikogen (czyli oddycha). Zużywany jest przy tym tlen wewnątrz komórki, co powoduje, że powstaje tam środowisko beztlenowe, potrzebne do pracy nitrogenazy. Bardzo przydatny okazał się też fakt, że cyanothece ustala rytm dobowy w zależności od zmiany oświetlenia, ale gdy raz się on ustali, nie zmienia się nawet wówczas, gdy organizm poddany jest ciągłemu działaniu światła. Jak mówi Pakrasi, bakteria doświadcza "subiektywnej ciemności" przez 12 godzin na dobę. Co jeszcze bardziej zaskakujące - bakterie, które po ustaleniu rytmu dobowego żyją w bez przerwy oświetlonym środowisku produkuje więcej wodoru, niż bakteria doświadczająca naturalnych zmian oświetlenia. Prawdopodobnie dzieje się tak, gdyż energia światła w jakiś sposób napędza reakcję nitrogenazy. Na razie jednak naukowcy nie wiedzą, dlaczego takie zjawisko zachodzi. Wpadli za to na kolejny pomysł zwiększenia produkcji wodoru. Postanowili podawać bakteriom glicerol, który jest używany jako dodatek do żywności. Na takiej diecie nitrogenaza jest bardziej aktywna i produkuje więcej wodoru. Profesora Pakrasi najbardziej intryguje nie użyteczność cyanothece 51142, ale jej pomysłowość. Unikatowy metabolizm tych organizmów powoduje, że produkują wodór - czyste paliwo - korzystając z dwóch produktów ubocznych. Glicerolu, który powstaje przy produkcji biodiesla oraz dwutlenku węgla. Wkrótce cyanothece trafią do olbrzymiego bioreaktora, w którym będą poddawane kolejnym testom.

Nowe badania wykazały, że cyjanobakterie mogą przeżyć na Księżycu. Jeśli obserwacja ta się potwierdzi, będzie to wielką szansą dla ewentualnej stałej bazy księżycowej. Cyjanobakterie można będzie wykorzystać do wydobywania z księżycowego gruntu minerałów potrzebnych do produkcji paliwa czy nawożenia upraw roślinnych. Najpóźniej w 2020 roku NASA ponownie wyśle człowieka na Księżyc. Agencja ma nadzieję, że w przyszłości uda się założyć stałą bazę na ziemskim satelicie. Jednym z głównych problemów będą koszty zaopatrzenia takiej bazy. Dlatego też wykorzystanie cyjanobakterii może pozwolić na obniżenie tych kosztów. Każdy kilogram ładunku, którego nie trzeba będzie wieźć z Ziemi to spore oszczędności. Cyjanobakteria rozwija się w środowisku bogatym w wodę i, co najważniejsze, odżywia się za pomocą fotosyntezy. Do życia potrzebuje więc wody, światła i powietrza. Igor Brown z należącego do NASA Johnson Space Center postanowił sprawdzić, czy bakterie będą rozwijały się w księżycowym gruncie. Do eksperymentów wykorzystano cyjanobakterie żyjące w gorących źródłach w parku Yellowstone. Umieszczono je w pojemnikach z wodą i gruntem przypominającym powierzchnię Księżyca. Okazało się, że podczas wzrostu cyjanobakterie produkują kwasy, które świetnie rozkładają niektóre minerały w tym ilmenit (żelaziak tytanowy), który dość obficie występuje na Księżycu. Niektóre gatunki cyjanobakterii świetnie sobie radziły w takim środowisku. Uwagę naukowców zwrócił nowy, nieznany dotychczas gatunek, nazwany JSC-12. Brown mówi, że użycie cyjanobakterii do rozkładu ilmenitu to dopiero początek procesu. Następnie można by użyć innych gatunków, które z produktów rozkładu wytworzą nawozy potrzebne hodowanym na Księżyciu roślinom. Te nie mogą rosnąć wprost na gruncie księżycowym, gdyż zdecydowana większość składników odżywczych jest uwięzionych w skałach, a rośliny nie potrafią ich stamtąd pobrać. Co więcej rozkład księżycowego gruntu pozwoli nie tylko nawozić rośliny. Podczas całego procesu powstaje też metan, który może zostać użyty jako paliwo do silników rakietowych. Brown twierdzi też, że żelazo i inne "pozyskane" przez cyjanobakterie metale, można będzie koncentrować i wykorzystywać do produkcji maszyn. Naukowcy badają teraz jak najmniejszym wysiłkiem i nakładem kosztów hodować cyjanobakterie w warunkach księżycowych.