Chapter 11 Bacteria and Archaea Tortora Mastering Microbiology materiaalissa on hyvin laajasti käsitelty bakteereja ja arkkeja.tämän kurssin osalta suosittelen että keskitytte seuraaviin: I. Gram -, Proteobakteerit 1. Alphaproteobacteria Agrobacterium, Rhizobium 3. Gammaproteobacteria (TÄRKEÄ) Pseudomonadales (Pseudomonas), Vibrionales (Vibrio cholerae) Salmonella E.coli Yersinia 5. Epsilonproteobacteria Helicobacter II. Gram +, bakteerit Clostridium, Bacillus, Lactobacillus, Staphylococcus Actinobakteerit (kuten esim. Streptomyces, Actinomyces etc.) III. Gram-, ei proteobakteerit Pääsääntöisesti yheyttäviä bakteereja, yleiskäsitys riittää. The Prokaryotes 1
Classification of Bacteria I. Proteobacteria Gram Negative Bacteria 1.Alphaproteobacteria 2. Betaproteobacteria 3. Gammaproteobacteria 4. Deltaproteobacteria 5. Epsilonproteobacteria II. Gram-positive Bacteria III. Nonproteobacteria Gram-Negative Bacteria Domain Bacteria I. Gram negative bacteria = Proteobacteria From the mythical Greek god Proteus, who could assume many shapes Gram-negative, Mostly chemoheterotrophic, but also some autotrophs 1. Alphaproteobakteerit Tähän on valittu muutama mikrobi, joka kannattaa lukea tarkemmin. Kirjassa ja ppt materiaalissa, on paljon bakteerien nimiä, joten olen valinnut nämä: 1) Agrobacterium 2) Rhizobium Kummatkin tekevät nystyöitä kasvien juuriin, Agrobacterium T1 plasmidi hyödyllinen geenitekniikassa Rhizobium typensidontaa kasvien juurissa 2
1. The Alphaproteobacteria Learning Objective 11-1 Differentiate the alphaproteobacteria described in this chapter by drawing a dichotomous key. Alphaproteobacteria is a mixed group, For your reading focus on: 1) Rickettsia 2) Agrobacterium (lue tämä) 3) Rhizobium (lue tämä) 1. The Alphaproteobacteria Alla olevia ei tarvitse osata Pelagibacter ubique 20% of prokaryotes in oceans 0.5% of all prokaryotes Human pathogens Bartonella B. henselae: cat-scratch disease Brucella: brucellosis Ehrlichia: tickborne The Alphaproteobacteria Obligate intracellular parasites Ehrlichia: tickborne, ehrlichiosis Rickettsia: arthropod-borne, spotted fevers (tätä ei tarvitse osata ) R. prowazekii: epidemic typhus R. typhi: endemic murine typhus R. rickettsii: Rocky Mountain spotted fever 3
Figure 11.1 Rickettsias. Slime layer Scattered rickettsias Chicken embryo cell Nucleus Masses of rickettsias in nucleus A rickettsial cell that has just been released from a host cell Rickettsias grow only within a host cell, such as the chicken embryo cell shown here. Note the scattered rickettsias within the cell and the compact masses of rickettsias in the cell nucleus. The Alphaproteobacteria Wolbachia: live in insects and other animals (ei tarvitse osata) The Alphaproteobacteria Have prosthecae Caulobacter: stalked bacteria found in lakes (ei tarvitse osata) Hyphomicrobium: budding bacteria found in lakes (ei tarvitse osata) 4
The Alphaproteobacteria Plant pathogen 1) Agrobacterium: insert a plasmid into plant cells, inducing a tumor (lue tämä) The Alphaproteobacteria Chemoautotrophic (ei tarvitse osata) Oxidize nitrogen for energy Fix CO 2 Nitrobacter: NH 3 NO 2 Nitrosomonas: NO 2 NO 3 The Alphaproteobacteria Nitrogen-fixing bacteria Azospirillum (ei tarvitse osata) Grow in soil, using nutrients excreted by plants Fix nitrogen 2) Rhizobium (lue tämä) Fix nitrogen in the roots of plants 5
Figure 27.5 The formation of a root nodule. Pea plant Root Root hairs Nodules Rhizobia attach to root hair. Rhizobia Enlarged root cells form a nodule. Infection thread Bacteroids Bacteria change into bacteroids; packed root cells enlarge. An infection thread is formed, through which bacteria enter root cells. The Alphaproteobacteria Produce acetic acid from ethanol (ei tarvitse osata) Acetobacter Gluconobacter 2. The Betaproteobacteria (Tätä ryhmää betaproteobakteerit - ei tarvitse osata) Thiobacillus Chemoautotrophic; oxidize sulfur: H 2 S SO 4 2 Sphaerotilus Chemoheterotophic; form sheaths 6
Figure 11.6 The gram-negative coccus Neisseria gonorrhoeae. Capsule Fimbriae The Betaproteobacteria Bordetella Chemoheterotrophic; rods B. pertussis Burkholderia Nosocomial infections Figure 24.7 Ciliated cells of the respiratory system infected with Bordetella pertussis. B. pertussis Cilia 7
3. The Gammaproteobacteria (Näihin kannattaa keskittyä) Contains many clinically important bacteria Pseudomonadales Pseudomonas Opportunistic pathogens Metabolically diverse Polar flagella The Gammaproteobacteria Pseudomonadales Moraxella Conjunctivitis Azotobacter and Azomonas Nitrogen-fixing Legionellales Legionella Found in streams, warm-water pipes, cooling towers L. pneumophilia Coxiella Q fever transmitted via aerosols or milk The Gammaproteobacteria Vibrionales Found in coastal water Vibrio cholerae causes cholera V. parahaemolyticus causes gastroenteritis 8
Vibrio suku ja Kolera Vibrio chlolerae Ihminen ainoa tunnettu isäntä ulosteilla kontaminoitunut ruoka/vesi inkubaatio 24-72 h tarttuvat suolen limakalvoon eivät tunkeudu soluihin erittävät koleratoksiinia (= enterotoksiini) häiriö solujen nestetasapainossa veden ja elektrolyyttien pumppaus ulos suoliston soluista hoito: Nesteet + NaCl + sokeri + antibiootit ehkäisy: veden ja jakelun sanitointi ilman hoitoa kuolleisuus 50%, muutoin 1% The Gammaproteobacteria Enterobacteriales (enterics) Peritrichous flagella; facultatively anaerobic Enterobacter Erwinia Escherichia Klebsiella Proteus Salmonella Serratia Shigella Yersinia Missä mennään 1. Escherichia coli (E.coli) 2. Salmonella spp. 3. Yersinia 9
1.Escherichia - suku tyyppiorganismi = E.coli mikrobiologiassa eniten tutkittu bakteeri suolistobakteeri syntetisoi K-vitamiinia jotkut kannat patogeenejä pelätty ripulitaudin aiheuttaja Ehec EHEC Ehec = enterohemorraagiset E.coli kannat kuuluisin serotyyppi: O157:H7 Tuottaa sytotoksiiinia Lähteet: Bakteerin reservuaarina (=lähde) toimii yleensä nautojen, mutta joskus myös lampaiden ja vuohien suolisto. nautakarja, vasikat huonosti kypsennetty jauheliha; pastöroimaton maito kanat & kananmunat? Ehec-bakteereita tarvitaan hyvin vähän, vain 10 100 kappaletta, aiheuttamaan infektio. EHEC Tartunta saadaan yleensä ulosteella saastuneen ja huonosti kypsennetyn ruuan tai juomaja uimaveden välityksellä. Tartunta voi levitä myös käsien välityksellä henkilöstä toiseen, esim. perheenjäsenten välillä. Tartunnan voi saada myös koskettelemalla Ehecbakteeria kantavia eläimiä. Suomessa todetaan 20 40 Ehec-infektiota vuodessa, ulkomailta saatujen infektioiden osuus on noin 20 prosenttia. Vuosina 1996 2002 Suomessa on kuollut kaksi lasta ja viisi aikuista Ehec-infektion aiheuttaman hemolyyttis-ureemisen oireyhtymän (HUS) vuoksi 10
Muistutus: Eksotoksiinit (enterotoksiinit, sytotoksiinit, neurotoksiinit) patogeenien solustaan ulos erittämiä yhdisteitä, peptidejä, polypeptidejä pienetkin konsentraatiot hyvin myrkyllisiä liittyvä tiettyihin tauteihin tuotto usein plasmidi- tai profaagi sidonnaista (plasmidi = ylimääärinen DNA-rengas solussa; profaagi = bakteeria infektoiva virus) Joillekin on olemassa rokotteita, myös toksiinin inaktivointi yleensä mahdollista Sytotoksiinit (tuottajia mm. E.coli ja monet muutkin bakteeerit) - vaikutuskohteena kudokset (yleisesti) - Johtavat mm. solujen proteiinisynteesin estoon - bakteriofaagin (bakteeria infektoiva virus) koodaama toksiini toksiini on polypeptidiketju aktiivinen osa on fragmentti A 193 aminohappoa - Fragmentti A sitoutuu soluun, estää aminohapon liitämisen trna:sta kasvavaan polypeptidiketjuun - inaktivoi ns. elongaatio-tekijän (pidennystekijä) E.coli ja kolibakteerit ovat myös hygienian indikaattoreita suoliston mikrobit kuolevat vesistöissä vähitellen riippuen jäteveden lämpötilasta, auringonvalon voimakkuudesta ja ravinteiden määrästä Vaatimuksia indikaattoriorganismille: - sopii monien eri tyyppisten vesien seurantaan - läsnä kun enteerisiä patogeenejä esiintyy - kasvaa kun patogeenit ovat jo kuolleet (pärjää paremmin) - erottuu selvästi muista mikrobeista laboratorioseurannassa - esiintymistiheys on verrannollinen suolistomikrobikuormitukseen 11
2. Salmonella - suku suku, jossa paljon merkittäviä patogeenejä salmonelloosi = salmonella gastroenteriitti Virulenssitekijöinä mm.: Endotoksiini (LPS) Enterotoksiini Isännän soluja vaurioittavat entsyymit Salmonellan lähde: eläinten suolisto ihmiseen kontaminoidun lihan, kanan, kananmunien & - tuotteiden), veden välityksellä inkubaatioaika tartunnasta 8-48h bakteerit valtaavat limakalvojen soluja valtava nesteiden menetys Suomessa 1990-luvulla n. 3000 tapausta/vuosi, 2000-2004 n. 2500/vuosi; erittäin vakavia ruokamyrkytyksiä n. 1-8 /vuosi (ks. lavantauti) Salmonellaa on noin 1000 tyyppiä O, H, antigeenit muodostavat serotyyppejä Vi antigeeni Toksiineja tuottavia kantoja H-antigeenit (flagellat) auttavat bakteeria liikkumaan Yleisinfektioita aiheuttavat serotyypit ( Typhi, Paratyphi) ihmisille spesifisiä Enteriittioireita aiheuttavat infektoivat sekä ihmisiä että monia eläinlajeja (merkittävin serotyyppi: Typhimurium) Taudinaiheuttamiskykyyn liittyviä tekijöitä (=virulenssitekijöitä); esimerkkinä Salmonella spp. 12
Muistutus: Enterotoksiinit (tuottajia mm. Salmonella, Vibrio cholerae) vaikuttavat suolen limakalvon soluihin ensisijaisesti elektrolyyttien pumppaus ulos soluista epänormaali nesteen määrä suoleen toksiini on polypeptidiketjuista muodostunut (A-B) B yksikössä sitoutumiskohta, jolla toksiini sitoutuu epiteelisolujen sytoplasmisen membraanin gangliosidiin A - polypeptidiketju aktivoi adenyylisyklaasin ATP:stä tehdään camp nesteiden pumppaus ulos Lavantauti (salmonelloosin vakava muoto) Aiheuttajana Salmonellan serotyyppi Typhi (typhoid fever) vakava ihmisen yleisinfektio Yleisvaarallinen tartuntatauti, Suomessa viranomaisella oikeus määrätä potilas karanteeniin Bakteerit tunkeutuvat suoliston paikallisiin imusolmukkeisiin ja bakteeri lisääntyy puolustusolujen sisällä bakteerit 1-2 viikon kuluttua vereen Kulkeutuvat kudoksiin meningiitti (aivokalvontulehdus, pyelonefriitti (munuaistulehdus), jne. Bakteerit maksaan ja sappirakkoon hoitamattomana kuolleisuus 10% Ongelmana oireettomat kantajat hoito: antibiootit 3. Yersinia enterocolitica ja Y. pseudotuberculosis Yersiniat ovat eläimissä esiintyviä bakteereja, jotka voivat aiheuttaa ihmiselle suolisto- ja yleisinfektioita. Yersinia enterocolitica ja Yersinia pseudotuberculosis. Yersiniainfektion itämisaika on 4 7 vuorokautta kuume, vatsakipu ja ripuli, muutamasta päivästä 3 viikkoon osalle sairastuneista kehittyy reaktiivinen niveltulehdus. Leviää yleensä saastuneiden elintarvikkeiden välityksellä. Siat ovat usein Yersinia enterocolitican kantajia,myös muut tuotantoeläimet Tartunta kypsentämättömästä tai huonosti kypsennetystä sianlihasta. Monet eläimet, mm. jyrsijät ja linnut ovat Y. pseudotuberculosiksen kantajia. Tartuntoja on kuvattu tapahtuneen mm. vihannesten välityksellä. Yersiniatartunnat henkilöstä toiseen ovat harvinaisia 13
Yersinia pestis & rutto Ei kuulu ihmisen normaaliin suolistobakteereihin Virulenteilla kannoilla 72 kb virulenssiplasmidi Virulenssiplasmidi koodittaa lukuisia ulkomembraanin ja solun ulkopuolelle erittyviä proteiineja (entsyymit ja pintaproteiinit tarttumiseen ja sytotoksiinia) Säilyy infektiokykyisenä vuosisatoja rotta/orava (kirppu) purema ihminen ihminen ihminen hengitysteitse Paiserutto ( sepsis) Keuhkokuume (keuhkorutto) + verenmyrkytys (=sepsis) Hoito: tetrasykliini (suuret annokset) Maailmanlaajuisesti < 1500 tapausta vuodessa; n. 300 fataalia teollisuusmaissa < 20 tapausta vuodessa The Gammaproteobacteria (nämä ovat loput tästä ryhmästä, ei tarvitse osata Pasteurellales Pasteurella Cause pneumonia and septicemia Haemophilus Require X (heme) and V (NAD +, NADP + ) factors Beggiatoa Chemoautotrophic; oxidize H 2 S to S 0 for energy Francisella Chemoheterotrophic; tularemia 14
4. The Deltaproteobacteria (ei tarvitse osata) Desulfovibrionales Use S instead of O 2 as final electron acceptor 5. The Epsilonproteobacteria Campylobacter (tätä ei tarvitse osata) One polar flagellum Gastroenteritis Helicobacter (kyllä) Multiple flagella Peptic ulcers Stomach cancer Helicobacter pylori Gram-negatiivinen, liikkuva spirilla Mikroaerofiili Yhdestä kuuteen flagellaa toisessa päässä liikkumista varten Patogeeni Ainoa luonnollinen isäntä ihminen ja bakteeria löydetään vain mahan limakalvoilta 15
Epidemiologia Levinnyt kaikkialle maailmaan Yhteydessä hygieenisiin oloihin ja yleisempi kehitysmaissa kuin teollisuusmaissa vähenee kaikissa länsimaissa esim. alle 20-vuotiaista suomalaisista vain 10 %:lta löytyy helikobakteeri; yli 60-vuotiaista 60-70 % infektoituneita Erittää monia entsyymejä: ureaasia, proteaaseja, lipaaseja, fosfolipaaseja, glykosidaaseja, sytotoksiineja Vuorovaikutus ihmisen immuunijärjestelmän kanssa Kolonisoituu vatsan limakalvon limakerrokseen kiinnittyen epiteelisoluihin vatsan lima sekä bakteerin voimakas ureaasiaktiivisuus suojelevat sitä happamelta ympäristöltä Saa aikaan tulehduksen, kudoksen vahingoittumisen ja haavauman Infektoituneilla vasta-aineita H. pylori bakteeria vastaan vasta-aineet eivät suojele tai ehkäise bakteerin kolonisoitumista Usein oireeton, mutta n. 10-20 %:lla aiheuttaa mahatulehduksen lisää vatsasyövän riskiä 1,6-6 kertaisesti Ennalta ehkäisy ja hoito Tartuntareitti tunnetaan vielä huonosti eikä ennalta ehkäisyyn ole toistaiseksi keinoja Bakteeri vähenee spontaanisti hyvän hygienian maista Rokotetta ei ole Hoitona kolmen lääkkeen yhdistelmä: 2 antibioottia ja mahahapon eritystä ehkäisevä lääke Varauduttava myös toiseen hoitokuuriin 16
II. The Gram-Positive Bacteria Learning Objectives 11-6 Differentiate the genera of firmicutes described in this chapter by drawing a dichotomous key. 11-7 Differentiate the actinobacteria described in this chapter by drawing a dichotomous key. 1. Firmicutes Low G + C Gram-positive Clostridiales Clostridium (tärkeä) Endospore-producing Obligate anaerobes Cl. Botulinum Botulism Botulinum neurotoxin Cl. Tetani Tetanus (jäkkäkouristus) Teranus-nurotoxin Cl. Perfringens Necrosis (kaasukuolio), Produces CO2 into tissues Epulopiscium (ei tarvitse osata) 17
Bacillales This Bacillus cereus cell is shown emerging from the endospore. Bacillus (tärkeä) Endospore-producing rods Aerobic Very many are active enzyme producers Clinically important e.g. Bacillus anthracis (pernaruttobakteeri) Staphylococcus (tärkeä) Cocci Facultative Clinically important, produce a variety of toxins and other virulence factors Lactobacillales (lue tämä) Generally aerotolerant anaerobes; lack an electron transport chain; are not part of the Bacillus group (above) Lactobacillus Streptococcus Enterococcus Listeria Mycoplasmatales (ei tarvitse osata) Wall-less; pleomorphic 0.1 0.24 µm M. pneumoniae 18
2. Actinobacteria (yleiskäsitys riittää, ei erillisiä lajeja) High G + C Gram-positive Actinobacteria Actinomyces Corynebacterium Frankia Gardnerella Mycobacterium Nocardia Propionibacterium Streptomyces Drawing of a typical streptomycete showing filamentous, branching growth with asexual reproductive conidiospores at the filament tips. Figure 11.19b Streptomyces. Filament Conidiospores Coils of conidiospores supported by filaments of the streptomycete. 19
III. Nonproteobacteria Gram-Negative Bacteria (yleiskäsitys riittää, ei erillisiä lajeja tai fotosynteesiin tyyppejä tarvitse osata) 1. Phototrophic Bacteria a) Oxygenic Photosynthetic Bacteria b) Anoxygenic Photosynthetic bacteria 2. Chlamydias 3. Planctomycetes 4. Bacteroidetes 5. Fusobacterium 1.Phototrophic Oxygenic photosynthesis Anoxygenic photosynthesis 2H 2 O + CO 2 light (CH 2 O) + H 2 O + O 2 2H 2 S + CO 2 light (CH 2 O) + H 2 O + 2S 0 a) Oxygenic Photosynthetic Bacteria Cyanobacteria Gliding motility Fix nitrogen 20
2. Anoxygenic Photosynthetic Bacteria (yleiskäsitys riittää) Purple sulfur Purple nonsulfur Green sulfur Green nonsulfur Note: Tortora textbook places the anoxygenic photosynthetic bacteria later in the chapter, as the relationship between the two photrophic bacterial groups (a and b) is more distant than their physiological characteristics would appear to be. Here we will examine these in one after another to make it easier to remember these groups. 3. Chlamydias (ei tarvitse osata) Chlamydia trachomatis Trachoma STI, urethritis Chlamydophila pneumoniae Chlamydophila psittaci Psittacosis Figure 11.22a Chlamydias. The elementary bodies are released from the host cell. The reticulate bodies begin to convert back into elementary bodies. Elementary body Host cell Vacuole forming Vacuole Reticulate body The bacterium s infectious form, the elementary body, attaches to a host cell. Nucleus The host cell phagocytizes the elementary body, housing it in a vacuole. The reticulate body divides successively, producing multiple reticulate bodies. Life cycle of the chlamydias, which takes about 48 hours to complete. The elementary body reorganizes to form a reticulate body. 21
4. Planctomycetes (ei tarvitse osata) Gemmata obscuriglobus Double internal membrane around DNA 5. Bacteroidetes (ei tarvitse osata) Anaerobic Bacteroides are found in the mouth and large intestine Cytophaga: degrade cellulose in soil 6. Fusobacterium (ei tarvitse osata) Are found in the mouth May be involved in dental diseases Many are spirochetes Figure 11.26 Spirochetes. Axial filaments Sheath This cross section of a spirochete shows numerous axial filaments between the dark cell and the outer sheath. Sheath This micrograph of a portion of Treponema pallidum shows the sheath, which has shrunk away from the cell, and two axial filaments attached near one of the cell under the sheath. Axial filaments 22
6. Deinococci-Thermus (ei tarvitse osata) Deinococcus radiodurans More resistant to radiation than are endospores Thermus aquaticus Hot spring in Yellowstone National Park Source of Taq polymerase Check Your Understanding Which gram-negative group has a life cycle that includes different stages? 11-8 Both the purple and green photosynthetic bacteria and the photosynthetic cyanobacteria use plantlike photosynthesis to make carbohydrates. In what way does the photosynthesis carried out by these two groups differ from plant photosynthesis? 11-9 The axial filament distinguishes what genera of bacteria? 11-10 Domain Archaea (=Arkeot) These are not eubacteria (ie. Not bacteria in the true sense of Gram + and Gram -) 23
Domain Archaea Extremophiles Hyperthermophiles Pyrodictium Sulfolobus Methanogens Methanobacterium Extreme halophiles Halobacterium Microbial Diversity Bacteria size range Thiomargarita (diameter of 750 µm) Carsonella ruddii (182 genes) Metagenomics PCR GeoChip Microbial Diversity PCR indicates up to 10,000 bacteria per gram of soil Many bacteria have not been identified because they Have not been cultured Need special nutrients Are a part of complex food chains requiring the products of other bacteria Need to be cultured to understand their metabolism and ecological role 24