Mikrobiyolojiyi ilginç kılan nedir? Bu derste ne işlenecek

01.03.2016
Mikrobiyolojiyi ilginç kılan nedir?
Çevre Mikrobiyolojisi
Mikrobiyolojiye Giriş
Yrd.Doç.Dr. Nursel Kıratlı Yılmazçoban
Bu derste ne işlenecek:
Mikrobiyolojinin temelleri ve prensipleri hakkında genel bir giriş
yapılacaktır.
Bu konuda çeşitli materyaller kullanılacaktır (Referans Kitaplar, Video,
Animasyon, ppt sunuları…vb)
• Mikroplar zararlı olabilirler fakat hayatımızın da önemli parçasını
oluştururlar.
Mikroorganizmaların Önemi
• Yüksek yaşam
formlarının önemi
• Biyojeokimyasal
Döngüler
• Yüksek çeşitlilik ve
fizyolojik kapasiteleri
• Yüksek organizmalarla
ilişkileri
1
01.03.2016
Hücre
• Hücre hayatın temelidir
• Bölümlerden oluşmaktadır
• Dinamik sistemlerdir
• Hc. ler kendi aralarında ve
çevre
ile
iletişim
içerisindedirler,
bulundukları çevre ile
genetik materyal alışverişi
yapabilmektedirler
Prokaryotik Hücreler
Tüm canlı hücreler iki gruba ayrılır:
1. PROKARYOTİK HÜCRELER
2. ÖKARYOTİK HÜCRELER
Prokaryotik Hücreler
• Herhangi bir organizmanın temel hücresi, nükleus içermiyorsa
Ökaryotik Hücreler
•
Herhangi bir organizmanın temel hücresi, hc. zarı ile çevrili nükleus içeriyorsa
•
Prokaryotlara göre daha büyük ve kompleks yapıya sahipse
•
10-100 µm
•
Hc. zarı ile çevrili organeller varsa
•
Ökaryotik hücreler;
Ökaryotik hücre
- Alg, fungi, protozaoa, bitki, hayvan
2
01.03.2016
Bakteriler (Prokaryotlar)
•
Boyut
•
Şekil
-kok
- 0.2-2.0 µm çap
-2.0-8.0 µm uzunluk
-basil
-spiral
-pleomorfik
Endüstride bakteriler
• Özel amaçlar için tasarlanabilirler
• Kontamine olmuş su, atıksu, biyo-katı ve toprak detoksifikasyonu
• Farmasötik uygulamalar
• Kirlilik indikatörü
• Yenilenebilir kaynaklar, özellikle enerji
• Kaynak izleme
Bakteriyel Sınıflandırma
• Morfolojik yapı
• Kompozisyon
• Nutrient gereksinimi
• Biyokimyasal aktiviteleri
• Enerji kaynağı
Mikropların yönetimi ve kontrolü için fonksiyonlarını ve gerekliliklerinin iyi
anlamak zorundayız
Bakteri - Basit Sınıflandırma
• Şekil: Sınıflandırmada hc. morfolojisi kullanılmaz çünkü bazı bakteriler çeşitli
mofolojiye sahip olabilirler.
- Kok
- Basil
- Spiral
- Spiroket
- Stalk
- Hif
- Filamentli
• Gram Boyama: Gr(+) veya Gr(-)
• Oksijen İhtiyacı
• Nutrient Gereksinimi
Bakteri - Sınıflandırma
• Oksijen Gereksinimi
(a) zorunlu aerob
(b) zorunlu anaerob
(c) fakültatif anaerob
(d) mikroerofil
(e) aerotolerant
3
01.03.2016
Sınıflandırma: Solunum
• Solunum: kimyasal oksidasyon ile enerji üretimi. Oksidatif proses esnasında
substrattan elektronlar koparılır ve elektron transport zincirinden (ETZ)
geçerek terminal elektron alıcısına (TEA) iletilirler.
- aerobik organizmalar için TEA oksijendir
-anaerobik ler için TEA bağlı oksijendir (CO2, NO3, veya SO4).
Zorunlu anaeroblar, O2 den üretilen peroksit radikallerini ortadan kaldırmak için
kullanılacak koruyucu enzimlere sahip değillerdir.
Sınıflandırma
• Enerji kaynağı
- Fototrof : birincil enerji kaynağı olarak ışık kullanırlar
- Kemotrof: birincil enerji kaynağı olarak oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarını kullanır
• Karbon kaynağı
- Heterotrof: organizma organik karbona ihtiyaç duyar
- Ototrof : CO2 karbon kaynağı olarak kullanılır
• Nutrient gereksinimi
1. Fotototrof
2. Fotoheterotrof
Mikrobiyel gelişme eğrisi
Mikrobiyel gelişme
• Lag faz: Bakteriler çevreye ve nutrienlere alışmak için yavaş yavaş
büyümeye başlar.
• Log faz: Metabolik olarak aktif hale gelirler ve üstel olarak çoğalırlar.
Birkaç dakikada bir sayıları iki katına çıkar.
• Durgun faz: Hc. ler nutrient için yarış halindedir ve atık üretimi de
ortamda artmaya başlayınca çoğalma yavaşlar ve bakteri sayısı durağan
hale gelir.
• Ölüm fazı: Nutrient tükenmiştir ve toksik atıklar ortamda birikmeye ve
hc. lerin ölümüne sebep olur.
Bakteri - Üreme
binary fisyon
3. Kemoototrof
4. Kemohetrotrof
Sınıflandırma: Sıcaklık
Sınıflandırma
Minimum (0C)
Optimum (0C)
Maksimum (0C)
Psikrofil
-10-5
10-20
15-25
Mezofil
10-15
25-40
30-50
Termofil
25-45
50-75
75-100
konjugasyon
4
01.03.2016
• Kılıf
Hücre Yüzey Yapısı
Streptococcus pneumoniae kapsülü
• Glikokaliks: Hücre zarının yüzeyinde, özellikle şekerlerce zengin makromolekülerden oluşan özel bir yapıdır.
• Kapsül (sert protein tabaka) veya yapışkan (slime) tabaka
•
•
•
•
Polisakkarid ve/veya polipeptid
Fagositozu inhibe eder
Konak hc. yüzeyine yapışma
Kurumaya karşı koruyucu
• Hc. duvarı
• Hc. membranı
• Flagella
• Çoğu Bakteriyel hareketi sağlar fakat hepsi değil, Kayma, Gaz vezikülleri, Aksiyel filament
• + aksis: foto,
kemo,
magneto
• Pili (Konjugasyon) ve Fimbria (yüzeylere yapışma)
5
01.03.2016
• Hc. membranını çevreler
•
•
•
•
Gram Boyama
• Dr. Gram, 1884 yılında insan hücrelerinde pnömoniye sebep olan
bakterileri ayırt etmeye çalışırken bu metodu geliştirmiştir.
Hücre Duvarı
Hc. yi osmotik basınç değişikliklerinden korur.
Peptidoglikan (murein) içerir.
Bakterilerin patojen özellikler kazanmasına sebep olur.
Gram Boyama özelliklerine göre bakteriler, Gr (+) ve Gr (-) olarak sınıflandırılır.
Gram Boyama Uygulaması
• Gram pozitif ve gram negatif
Gram pozitif hc. duvarı
• Birkaç sayıda iyi organize edilmiş peptidoglikan tabakadan oluşmaktadır.
• Teikoik asit (negatif yük e sebep olur)
Gram negatif hc. duvarı
• İnce iyi organize olmamış peptidoglikan tabakası
• Dış membran
• lipoprotein-lipopolisakkaritfosfolipid (LPS)
• LPS tabakası bakteriye antijenik özellik ve bazende toksik özellik kazandırır.
• Fagositoz, bazı antibiyotik (penisilin) ve enzimlerden korur.
• LPS deki şekerler; Örneğin O Polisakkarit: bakteriye antijen özelliği kazandırır, identifikasyon
açısından önemlidir
• Lipid A, endotoksin olarak fonsiyonu vardır
• Porin: protein kanalları, hc. ye seçici geçirgenlik öz. sağlar
6
01.03.2016
Gram negatif hc. duvarı
Gram (+) ve Gram (-) Hc. Duvarı Karşılaştırma
Plazma (sitoplazmik) Membran
• Plazma membranın fonksiyonları (BET)
• Fiziksel bariyer
• Enerji üretimi
• Transport
• Kemoterapi ve dezenfeksiyonda hedef
- deterjan benzeri antibiyotik
- fosfolipit tabakasının bozunması
Hücre Membranı Transportu
• Pasif: Yüksekten düşük konsantrasyona geçerken enerji gerekmiyor.
• Basit Difüzyon
• Kolaylaştırılmış Difüzyon
• Ozmos
• Aktif: Düşükten yüksek konsantrasyona geçerken enerji gereklidir.
• Grup translokasyon
• Maddelerin taşınımı esnasında bazı değişiklikler meydana gelir (Glikoz, Fosfat).
7
01.03.2016
Ozmos - Ters Ozmos
enerji kullanılmıyor!!!
• Su
• Proteinler
• Karbonhidratlar
• Lipit, inorganik iyonlar
• DNA, RNA
• İnklusyonlar - depo polimerler;
Sitoplazma İçeriği
• − C: Poli-β-hidroksialkonatlar (PHA), C ortamda çok olduğunda granüllerde glikojen olarak depolanır.
Poli-β-hidroksibütirat en yaygınıdır (PHB) (doğal plastik – biyodegrade edilebilirler)
• − P: polifosfatlar
• − S: elemental sülfür (S – oksidasyon)
• − Fe: magnetosomes
İç yapılar
• Ribozomlar: mRNA ya bağlanarak protein sentezini gerçekleştirirler. Evrimsel
açıdan korunmuş yapılar oldukları için önemlidirler
• 2 alt üniteden oluşurlar
• 52 protein
• Büyük (50 S): 23 S Ribozomal RNA (rRNA) 3,000 NT
uzunlukta, 5 S
• Küçük (30 S): 16 S tRNA ~ 1,500 NT
8
01.03.2016
• Kromozom
Nuklear bölge (membran yok)
• Proteinler ve uzun DNA molekülleri
• Plazma membranına eklenir
• Birçok genden oluşan genom u taşırlar
• Plazmid
• Kromozomal genetik materyal
• Dairesel DNA, bağımsız olarak replike olur
• Bakteriye benzersiz özellikler kazandırır, hayati fonksiyonlar için elzem değildir
(direnç, enzim.. Vb.)
Spor oluşturan Bakteriler
• Endospor
• Genellikle Gr (+)
• Bakteriye yüksek dayanıklık sağlar (sıcaklık, radyasyon, kimyasallar,
kuruma)
• Spor yapısı dipikolinik asid ve Ca2+ iyonlarından oluşur
• Anaerobik: Clostridium
• Aerobik: Bacillus
Bakteriyal iletişim; Quarum sensing (QS)
Arkea’ lar
• Nukleus ve organelleri yok
• hc. duvarı (peptidoglikan yok)
• Membran
• dallanmış hidrokarbon
• Tek tabakalı membran
Arkea lar ilk olarak Yellowstone National Park’ ta keşfedilmişlerdir. Bu mikroorganizmalar, sıcak sularda üreyerek
parlak renklerin oluşmasına sebep olurlar.
Arkea va bakteri membran yapısı; Arkeal fosfolipid: 1, isoprene chains; 2, ether linkages; 3, L-glycerol moiety; 4,
phosphate group. Middle, a bacterial or eukaryotic phospholipid: 5, fatty acid chains; 6, ester linkages; 7, D-glycerol
moiety; 8, phosphate group. Bottom: 9, lipid bilayer of bacteria and eukaryotes; 10, lipid monolayer of some archaea
Morning Glory Hot Spring_Yellowstone National Park, Nursel Kıratlı Yılmazçoban tarafından çekilmiştir.
9
01.03.2016
Arkea-Çeşitlilik
Nutrient çeşidi
Fototrof
Enerji kaynağı
Karbon kaynağı
Arke
Güneş ışığı
Organik bileşenler
Holobacterium
Litotrof
İnorganikler
Organik
bileşenler veya karbon
fiksasyonu
Ferroglobus, Methanobacteria,
veya Pyrolobus
Organotrof
Organikler
Organik bileşenler
veya karbon fiksasyonu
Pyrococcus, Sulfolobus veya
Methanosarcinales
- Metagenik arkea; termitlerle simbiyotik olarak yaşar, Ağaç ile beslenen termitlerde selülozun sindirilmesini sağlar.
- Sığırlarda rumende sindirime
- Arıtma tesislerinde suyun arıtılmasında
- Çamur Çürütme biyogaz gaz elde edilmesinde yardımcı olurlar.
Arkeaların Teknolojide ve
Endüstride Üstlendiği Önemli Roller
Fungi
• Ekstremofil arkeler, sahip oldukları enzimler sayesinde yüksek asidik ve alkali ortamda yaşamlarını sürdürebilmektedirler. Bu enzimler
çok farklı alanlarda kullanılabilmektedir. Örneğin moleküler biyolojinin gelişmesindeki en büyük etkenlerden biri Pyrococcus furiosus
un ısıya dayanıklı Pfu DNA polimeraz enziminin keşfedilmesidir. Ki bu keşif, DNA klonlamasını basit ve hızlı yapılmasını mümkün
kılmıştır.
• Pyrococcus un diğer türlerinden, amilaz, galaktosidaz ve pullulanaz ların keşfi de önemli gelişmelere yol açmıştır. Bu enzimler
sayesinde gıda endüstrisinde yüksek ısılı proseslerin, 100°C gibi (düşük laktozlu süt ve whey protein üretiminde) yapılmasına olanak
sağlanmıştır.
• Termofilik arke enzimleri, organik solventlere oldukça dayanıklıdırlar. Organik bileşiklerin ‘’yeşil kimya’’ prosesleri ile sentezini de
mümkün kılmaktadırlar.
• Yapısal biyoloji de kullanılırlar.
• Arkeal enzimler, biyoteknolojinin de gelişmesini mümkün kılmıştır. Örneğin Metanogen arkeler, biyogaz üretiminde, Asidofilik arkeler
ise altın, bakır ve kobalt gibi metallerin ekstrakte edilmesinde de kullanılmaktadırlar.
• Arkeler, yeni antibiyotiklerin üretilmesinde de potansiyel teşkil etmektedir.
Fungi - karakteristik
Heterotrof
• Ökaryotik
• Heterotrof
• Hc. Duvarı – kitin
• Filamentli – hif
• Doku yok
10
01.03.2016
Fungi - Sınıflandırma
Ascomycota – Keseli mantarlar
• antibiyotik
http://tolweb.org/
Chytridiomycota-Kitridler
Basidiomycota - Şapkalı mantarlar
• Kitrid ‘’küçük kap’’
• flagellat
• Protist
• Çoğunlukla kitin ve keratini çürütürler
Glomeromycota
• mikoriza
• bitki ile simbiyotik yaşam
• Sporangium
• Ekmek küfü
Zygomycota
11
01.03.2016
Fungi Önemi
• Nutrient döngüsü
• Simbiyotik ilişki; fungi-bitki ve fungi-alg
Metabolizma
• Fototrof
Protozoa
• Ökaryotik
• Tek hücreli veya çok hücreli
• Doku yok
Virüsler
Çevrede Mikroorganizmaların Çeşitliliği
• Asellülar (Hücre yapısı olmayanlar)
• Virüs
• Prokaryotik Hücreler
• Bakteri
• Ökaryotik Hücreler
• Organotrof
• Fungus, Alg, Protozoa
Virüsler - yaşayan organizmalar?
• Virus : zehirli
• Tütün mozaik virüsü
• 1892 de keşif edilmiş
• Konak hücre dışında inert tir.
• Zorunlu hc. İçi parazittir
• Bölünmez
• Hc. yapısı olmayan yaşayan ajan
Virüsler
• Genel karakterleri
• Yapısı
• Sınıflandırma
• Nükleik asit
• Kılıf
• Konak hc
12
01.03.2016
Virüs Yapısı
• Tek çeşit nükleik asit (NA)
• DNA veya RNA
• Viral nükleik asitlerin tipi
Virüs boyutu çoğunlukla 20 - 300 nm (0.02- 0.3 µm)
VİRÜS BOYUTU
Virüs boyutu yaklaşık olarak 20-300 nm
arasında değişmektedir
• Sirküler
• Düz
• Bölünmüş
Virüslerin büyük çoğunluğu elektron
mikroskobu ile görüntülenebilir.
• NA protein tabaka ile kaplıdır.
• Protein tabaka (kapsit)
Virüs Yapısı
• Kılıflı virüsler: dış tabaka lipit ve karbonhidrat içerir (kılıf)
• Konukçu hc. membranının parçası
• Kılıfsız virüsler kılıflı virüslere göre çevre şartlarına daha dayanıklıdır.
VİRÜS ÇEŞİTLERİ
• Hayvan virüsleri
• Bitki virüsleri
• Bakteriyofajlar
KONUKÇU YAYILIMI
• Tür spesifik
• Small pox (çiçek) virüsü, insan
• Geniş konukçu yayılımı
• Rabies (kuduz) virüsü, memeliler
13
01.03.2016
• Viral Kapsomerler
• Protein alt üniteleri, viral kapsit yapısını oluşturur.
• Viral spayk
• Viral kılıfta karbonhidrat/protein kompleks yapılar mevcuttur.
• İdentifikasyonda kullanılırlar
• İnfluenza virüsü
Viral Morfoloji
• Helikal
• Helikal yapıdaki silindirik kapsit
• Polihedral
• Ikosahedral
(20 üçgen yüzeyi ve 12 köşesi mevcuttur)
Hayvan Virüslerin Sınıflandırılması
• Nukleik asit tipi
• DNA veya RNA
• Tek zincirli (ss) veya çift zincirli (ds)
• Kılıf varlığı
• ssDNA, kılıfsız
• Parvovirüs
• dsDNA, kılıfsız
• Adenovirus
• dsDNA, kılıflı
Hayvan Virüslerin Sınıflandırılması
• ssRNA, kılıfsız
• Picornavirüs
• dsRNA, kılıfsız
• Reovirüs
• dsRNA, kılıflı
- Retrovirüs
• ssRNA, kılıflı
• Filovirüs
• Hepesvirüs
Su ile taşınan başlıca virüs grupları
• Enterovirüsler
• Hepatit A
• Rotavirüs
• Norovirüs
• Calcivirüs
• Astrovirüs
• Reovirüsler
• Adenovirüsler
Virüslerin üremesi - canlı hc.ler
• Yaşayan hayvanlar
• Aşı çalışmaları, pahalı, düzenleme var
• Embriyolu yumurtalar
• Aşı çalışmaları, ucuz, düzenlenme yok
• Hayvan hc. kültürü
• Ucuz, düzenlenme yok
• Bakteri hc.leri
14
01.03.2016
Hayvan hc. leri
• Hayvan ya da insan hc. leri kullanılır
• Kültür için özel besiyer kullanılır
• Enfekte hc. ler sitopatik etki gösterir (CPE)
• Primary hc. lines (doku)
• Diploid hc. lines (insan embriyosu)
• Sürekli çoğalan hc. (kanser hc. leri)
Birnavirüs un CHSE-214 hc. lerine sitopatik etkisi
Virüs Plak Deneyi
Bakteri kolonileri
Virüs plakları
Virüs Replikasyonu
• Virüsler konukçu hc. yi kullanarak viral genlerini ve proteinlerini
sentezlerler
• Birkaç enzim veya hiç enzim içermezler
• Enfekte hücreler virüslere;
• Enzim ve enerji sağlarlar
Virüs Replikasyon Aşamaları
1 – Adsorbsiyon
2 – Penetrasyon
3 – Kapsidin soyulması
4 – Biyosentez
5 – Olgun virüs partiküllerinin oluşumu
6 – Viral partiküllerin hücreden çıkışı
Virüslerin Konakçı İçinde Çoğaltılması
• Litik döngü (litik faj)
• Lizis ve konak hc. ölümü
• Lizojenik döngü (lizojenik veya temperat faj)
• Temperat faj konakçı genomuna DNA sını integrasyon veya insersiyon ile birleştirir
(profaj)
• Profaj genleri konakçı hc. karakterini transdüksiyon ile değiştirir.
• Konakçı hc. faj NA ni taşır ve normal olarak bölünerek çoğaltır.
15
01.03.2016
Transdüksiyon
• Genelleştirilmiştir.
• Donör bakteri tarafından virüslerin çoğaltılması ve genetik
materyalin alıcı hc. ye virüsler tarafından transfer edilmesi
prosesidir.
• Faj rastgele, konukçu DNA parçalarını toplar
• Konakçı bakteri hücresinin herhangi bir geni başka bakteriye transfer
edebilir.
Onkogenik virüsler
• Viral NA konukçu genomuna entegre olur
• Hc. çoğalmasından sorumlu genler üzerinde değişiklik yapar
Virion
• Tamamlanmış ve hücre dışına çıkmış, diğer hücreleri aynı şekilde enfekte
edebilme yeteneğine tamamıyla sahip viral parçacık
Prion
• Protein yapıdaki enfeksiyon ajanı
• Tanımlanamayan NA?, bakterimidir?
• Nörolojik hastalık
• Deli dana hastalığı
16