Informatie

Waarom vormen flagella alleen een bundel als ze tijdens chemotaxis tegen de klok in draaien?


Tijdens chemotaxis bij bacteriën met flagella bepaalt de flagellaire rotatie hoe de cel beweegt. Als de flagellen tegen de klok in draaien, vormen ze een bundel aan het ene uiteinde van de cel (---O) en stuwen deze op een gecoördineerde manier naar voren. Als de flagella echter met de klok mee draait, werkt elke flagella onafhankelijk om de cel in veel verschillende richtingen te duwen.

Mijn vraag is, waarom veroorzaakt de flagellaire rotatie met de klok mee niet gewoon dat de bundel zich aan het andere uiteinde van de cel vormt? (O---)


In principe kan dit gebeuren, maar u moet zich wel inlezen over flagellaire dynamiek en polymorfe overgangen (Real-Time Imaging of Fluorescent Flagellar Filaments, Turner et al. 2000).

Van Howard Bergs lab-pagina:

Runs kunnen optreden met filamenten van elke polymorfe vorm; hoewel, de normale vorm overheerst. Om een ​​cel te laten tuimelen, hoeft niet elk filament van draairichting te veranderen. Verschillende filamenten kunnen op verschillende tijdstippen van richting veranderen, of een tuimeling kan het gevolg zijn van de richtingsverandering van slechts één.

Als de hele bundel uit elkaar valt, kan deze zich aan beide uiteinden van het cellichaam hervormen omdat E. coli een willekeurig flagellatiepatroon (peritrichous) heeft en dus geen voorkeursrichting voor voortplanting van het cellichaam.

Kijk ook eens hier voor leuke filmpjes van het Berg lab.


Een statistische natuurkundige kijk op zwermende bacteriën

Bacteriële zwermvorming is een collectieve bewegingsmodus waarbij cellen snel over oppervlakken migreren en dynamische patronen van wervelingen en jets vormen. Deze review presenteert een fysiek gezichtspunt van zwermende bacteriën, met de nadruk op de statistische eigenschappen van de zwermdynamiek zoals waargenomen in experimenten. De fysische basisprincipes die ten grondslag liggen aan de zwerm en hun relatie tot hedendaagse theorieën over collectieve beweging en actieve materie worden besproken en besproken in de context van de biologische eigenschappen van zwermende cellen. We stellen een paradigma voor volgens welke bacteriën sommige van hun fysieke eigenschappen hebben geoptimaliseerd als een strategie voor snelle oppervlaktetranslocatie. Met andere woorden, cellen profiteren van gunstige fysica, waardoor een efficiënte expansie mogelijk is die de overleving onder zware omstandigheden verbetert.


II. PROKARYOTISCHE CELSTRUCTUUR

1. Pili - steil haarachtige aanhangsels ze zijn meestal kort alle gram-negatieve bacteriën hebben een pili-functie is om bacteriën aan andere bacteriën, andere cellen of andere oppervlakken te hechten (niet voor voortbeweging):

A. sekspili laat de ene bacteriecel aan de andere hechten (cellen kunnen genetisch materiaal uitwisselen via de pili - dit is de bacterie die het dichtst bij seksuele voortplanting komt!) genoemd conjugatie.

B. andere soorten pili hechten bacteriën aan plantaardige of dierlijke cellen om zichzelf in een gunstige omgeving te houden. Als pili verloren zijn gegaan (misschien als gevolg van een mutatie) in ziekteverwekkende bacteriën, kunnen de bacteriën geen infectie veroorzaken.

2. Flagella (enkelvoud – flagellum) - lange, dunne structuren die zich naar buiten uitstrekken vanaf het oppervlak van de envelopfunctie is voortbeweging - bacteriën met flagella zijn beweeglijk flagella roteren om de bacterie voort te stuwen. Bacteriën kunnen 1, 2 of veel flagella hebben (bijv. van een bacterie met veel flagella '150 Salmonella').

3. Axiale filamenten - bundels flagellen die zich om het cellichaam wikkelen tussen de celwand en het buitenmembraan, samen vormen ze een spiraalvormige uitstulping die beweegt als een kurkentrekker terwijl de gevangen flagella draait en de cel voortstuwt die alleen wordt aangetroffen in één type bacterie genaamd de spirocheten deze unieke vorm van beweging is zeer geschikt voor de stroperige omgeving (modder en slijm) waar de bacterie over het algemeen wordt aangetroffen. Ex. van bacteriën met a.f. – Treponema (veroorzaakt syfilis) en Borrelia (veroorzaakt de ziekte van Lyme).

B. Celenvelop (lagen van buiten naar binnen) (KUNNEN DIAGRAMMEN!)

1. Glycocalyx - gevonden in de meeste bacteriën slijmerige of gomachtige substantie die de buitenste laag van de celomhulling wordt, een dikke glycocalyx wordt vaak een capsule een dunne glycocalyx wordt vaak a . genoemd slijm laag functies:

A. bescherming tegen uitdroging

B. helpt een cel zich te hechten aan een oppervlak waar de omstandigheden gunstig zijn voor groei

C. bescherming bieden tegen fagocytose (verzwelging en vernietiging door cellen zoals witte bloedcellen) - een glibberige glycocalyx maakt het de fagocyt moeilijk om de bacterie te grijpen.

2. Buitenmembraan - voornamelijk gevonden in gram-negatieve bacteriën (ex. E. coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Proteus, Neisseria gonorrhoeae) samengesteld uit een dubbellaags membraan, de binnenste laag is samengesteld uit fosfolipiden, de buitenste laag is samengesteld uit lipopolysachariden (LPS'146s), een verbinding die in geen enkel ander levend organisme voorkomt! een deel van het LPS is hydrofoob, een deel is hydrofiel de meeste moleculen worden door het buitenmembraan en de cel getransporteerd via speciale eiwitten die porines worden genoemd deze porinen creëren kleine poriën of kanalen in het buitenmembraan waardoor moleculen kunnen diffunderen in functie van het buitenmembraan is voornamelijk bescherming - vanwege het buitenmembraan zijn gramnegatieve bacteriën over het algemeen resistenter dan grampositieve bacteriën tegen veel giftige stoffen, waaronder antibiotica (antibiotica zijn te groot om door de porines te diffunderen).

Meer over LPS'146s – Deze verbindingen zijn endotoxinen en komen pas vrij als de bacteriën afsterven en hun celwanden worden afgebroken. Endotoxinen veroorzaken koorts en verwijden de bloedvaten (resultaten van een daling van de bloeddruk). Het doden van de bacteriën kan de concentraties van dit toxine verhogen!

3. De celwand - De hieronder beschreven structuur wordt gevonden in alle eubacteriën behalve de mycoplasma's (deze bacteriën missen een celwand) in archeobacteriën, de celwanden zijn samengesteld uit een ander type peptidoglycaan of eiwit en sommige hebben geen celwanden. Bij gram-negatieve bacteriën ligt de celwand net binnen het periplasma in gram-positieve bacteriën, het ligt net binnen de glycocalyx, als die bestaat.

A. Structuur en samenstelling van celwand in Eubacteria

1.) Het belangrijkste onderdeel is: peptidoglycaan.

2.) Peptidoglycaan is samengesteld uit lange ketens van polysachariden (glycaan) die verknoopt zijn door korte eiwitten (peptiden).

3.) Wanneer ze aan elkaar worden gekoppeld, creëren deze kettingen het enkele stijve gaasachtige molecuul dat de bacteriële celwand vormt (lijkt op een hek met kettingschakels!)

4.) Een groot verschil tussen G(+) & G(-) bacteriële celwanden:

a.) G(-): peptidoglycan mesh is slechts één laag dik.

b.) G(+): peptidoglycaanwand is vele lagen dik.

B. Celwand Functie – De celwand is in veel gevallen erg poreus en reguleert het transport van stoffen in de cel niet. Twee belangrijke functies van de celwand zijn het behouden van vorm en het weerstaan ​​van turgordruk. Beide worden hieronder besproken.

1.) Celvorm - een fxn. van de celwand is om de bacterie vorm te geven, de meeste bacteriën vallen in een van deze algemene groepen. Sommige bacteriën hebben echter een onregelmatige vorm. Zelfs bacteriën van dezelfde soort of binnen dezelfde cultuur variëren soms in grootte en vorm (vooral in ouder wordende culturen).

a.) cocci (enkelvoud - coccus) - bolvormig

b.) bacillen (enkelvoud - bacillus) - staafvormig

c.) spirilli (enkelvoud - spirillum) - spiraalvormig

Naast deze karakteristieke celvormen zijn cellen ook te vinden in onderscheidende groepen cellen: paren, kettingen, tetrads (kubussen), druifachtige clusters, etc.

2.) Bestand tegen Turgor-druk – De turgordruk van een cel is de interne druk van de inhoud. Gewoonlijk bevindt een bacterie zich in een hypotone oplossing (een meer verdunde oplossing die minder opgeloste stof en meer water bevat dan de binnenkant van de bacterie) en water probeert van een hoge waterconcentratie naar een lage waterconcentratie te gaan, dat wil zeggen, water probeert te bewegen in de bacterie (zie toniciteit onder osmose verderop in de hand-out). Zonder de celwand zou het water verder in de cel blijven, en de cel zou lyseren of barsten, de celwand weerstaat turgordruk, zodat de cel niet lyseert.

Werking van sommige antibiotica (bijv. penicilline) - Bacteriën produceren enzymen die breuken in de peptidoglycaancelwand die optreden tijdens normale groei en deling weer dichten. De bacteriën lyseren dan.

Lysozyme, een enzym dat in tranen wordt aangetroffen, verteert (breekt af) peptidoglycaan.

C. Mycoplasma's - groep bacteriën die geen celwand hebben ze voorkomen lysis door turgordruk door een bijna gelijke druk te handhaven tussen hun cytoplasma en hun externe omgeving door actief natriumionen uit de cel te pompen, hun celmembranen worden versterkt omdat ze cholesterol bevatten, een lipide gevonden in eukaryote celmembranen.

4. periplasma - werd vroeger een ruimte genoemd, vanwege de manier waarop het eruitzag op elektronenmicrofoto's gevonden tussen het celmembraan en de peptidoglycaancelwand. Daarom alleen gevonden in gramnegatieve cellen die zijn samengesteld uit een gelatineachtig materiaal dat eiwitten bevat. bepaalde voedingsstoffen in kleinere moleculen die door het celmembraan kunnen gaan.

5. Plasma of celmembraan - membraan dat het cytoplasma van elke cel belangrijke functie omsluit, is om het cytoplasma te bevatten en te transporteren en te reguleren wat er in en wat uit de cel gaat. Veel prokaryotische celmembranen zijn vergelijkbaar met eukaryote celmembranen. De structuur wordt het Fluid Mosaic Model genoemd, omdat de structuur zich meer als een vloeistof dan als een vaste stof gedraagt. Bevat:

Membraan lipiden: (voornamelijk samengesteld uit fosfolipidemoleculen)

a.) fosfolipide dubbellaag (hydrofobe vetzuurstaarten en hydrofiele fosfaatkoppen beoordelen scheikunde-hand-out over fosfolipiden)

Membraan eiwitten: (eiwitten drijven in de vloeibare lipide dubbellaag)

een.) Integrale eiwitten - ingebracht in de dubbellaag die voornamelijk betrokken is bij transport.

1.) drager eiwitten - binden aan specifieke stoffen en transporteren ze door het celmembraan.

2.) kanaal eiwitten - eiwitten met een kanaal waardoor kleine, in water oplosbare stoffen door het celmembraan bewegen.

B.) Perifere eiwitten - meestal gehecht aan het membraanoppervlak, sommige zijn enzymen, sommige zijn betrokken bij de elektronentransportketen en/of fotosynthese (we zullen het hebben over deze processen in het hoofdstuk over het metabolisme) andere zijn betrokken bij de veranderingen in celvorm die optreden tijdens celdeling.

Opmerking: celmembranen van archeobacteriën - er zijn verschillende soorten bindingen in de fosfolipidemoleculen die de lipiden (staarten) verbinden met het glycerolmolecuul (kop) deze bindingen zijn sterker en kunnen deze bacteriën helpen extreme temperaturen en pH te overleven.

Invaginaties van celmembraan - het celmembraan dringt soms binnen of vouwt terug op zichzelf, waardoor structuren worden gevormd die zich uitstrekken tot in het cytoplasma, aangezien prokaryotische cellen geen organellen hebben. Deze invaginaties zorgen voor een groter oppervlak voor perifere eiwitten (enzymen) om chemische reacties te katalyseren.

C. Cytoplasma - matrix die voornamelijk bestaat uit water (90%) en eiwitten. Bevat het volgende:

1. nucleoïde - of kerngebied is een massa DNA die goed gedefinieerd is, hoewel het niet omgeven is door een membraan, het grootste deel van het DNA van een bacterie is gerangschikt in een enkel cirkelvormig molecuul dat een chromosoom wordt genoemd sommige bacteriën bevatten ook kleinere circulaire DNA-moleculen, genaamd plasmiden (wordt later besproken).

2. ribosomen - plaats van eiwitsynthese prokaryotische ribosomen zijn kleiner dan eukaryote ribosomen. Antibiotica zoals tetracycline, erytromycine en streptomycine kunnen specifiek gericht zijn op bacteriële ribosomen en de eukaryote ribosomen van de gastheer niet schaden.

3. Endosporen - extreem winterharde, rustende (niet-groeiende) structuren die sommige bacteriën, voornamelijk G(+), produceren door het proces van sporulatie wanneer voedingsstoffen zijn uitgeput wanneer gunstige omstandigheden terugkeren, endosporen ontkiemen om nieuwe vegetatieve cellen te produceren, die groeien en zich voortplanten bestand tegen barre omgevingsomstandigheden omdat ze zo weinig water en hoge concentraties calcium en dipicolinezuur bevatten, wanneer gunstige omstandigheden terugkeren, ontkiemt de spore in een nieuwe vegetatieve cel.

Sommige endosporenproducerende bacteriën zijn pathogeen voor de mens. Ex. Clostridium tetani veroorzaakt tetanus (andere soorten van dit geslacht veroorzaken botulisme en gasgangreen). Bacil is een ander geslacht van bacteriën dat sporen vormt. We zullen leren hoe je bacteriën kunt kleuren, zodat je deze sporen kunt observeren.


Invoering

Eukaryote trilharen en flagella zijn sterk geconserveerde en alomtegenwoordige organellen die aanwezig zijn in de meeste dieren, evenals in veel lagere planten en eukaryote protozoa. In de gewervelde lijn wordt het eukaryote flagellum universeel gebruikt om de mannelijke gameet voort te stuwen. In de zoogdiertak van de gewervelde dieren is de spermastaart altijd een gemodificeerd flagellum met enkele karakteristieke accessoirekenmerken die worden toegevoegd aan het basisaxoneem 9 + 2 van microtubuli die in de meeste trilharen en flagella worden aangetroffen.

Figuur 1 toont transmissie-elektronenmicrofoto's (TEM's) van een flagellum van muizensperma in dwarsdoorsnede op verschillende posities langs de lengte van het flagellum. Het centrale axoneme is zichtbaar met zijn negen buitenste doubletten die een paar enkele centrale microtubuli omringen (centraal paar of CP). Elk van de buitenste microtubuli-doubletten draagt ​​twee rijen uitsteeksels, de binnenste rij en de buitenste rij dyneïnearmen. Deze armen zijn samengesteld uit de dyneïne-motoreiwitten die de beweeglijkheid aandrijven. De dynein-armen zijn de bron van de aandrijfkracht die het flagellum buigt. De dyneïne zware ketens (DHC) van de armen vormen bruggen tussen de buitenste doubletten en ondergaan een door Mg-ATP aangedreven krachtslag die een glijdende (of afschuivende) actie tussen de doubletten genereert.

Ultrastructuur van een zoogdier sperma flagellum.

TEM van muissperma flagella. Een reeks dwarsdoorsneden wordt weergegeven die de axoneme en periaxonemale elementen van een muissperma flagellum tonen op steeds meer distale posities langs de flagellum van het paneel EEN tot E. De secties zijn niet van hetzelfde flagellum, maar zijn uitgelijnd om vergelijkbare kenmerken in dezelfde richting te tonen. MS, FS, ODF, doublet microtubule (MT), LC van de FS, RS, CP, binnenste dyneïne-arm en buitenste dyneïne-arm zijn gelabeld. ODF's 1, 5 en 6 zijn gelabeld volgens de standaard nummeringsconventie. Bar = 200 nm.

Zoals duidelijk is in figuur 1, heeft het centraal gelegen 9 + 2 axoneme van microtubuli enkele vrij substantiële aanvullende structuren eromheen. Deze structuren zijn gemeenschappelijk voor de spermastaarten van zoogdiersoorten en verkleint vaak het centrale axoneem. De eerste extra set structuren bestaat uit negen grote vezels die aan elk van de doubletten zijn gekoppeld. Dit worden de buitenste dichte vezels (ODF's) genoemd. In tegenstelling tot de doubletten zijn ze niet samengesteld uit tubuline, maar zijn ze intermediaire filamentachtige structuren die zijn gemaakt van keratineachtig materiaal (Olson, 1979 Brohmann et al., 1997 Olson en Sammons, 1980 Peterson, 1982 Kierszenbaum, 2002 Rivkin et al. ., 2008 ). De ODF's zijn niet uniform in lengte. Die geassocieerd met doubletten nummer 1, 5 en 6 zijn het langst en strekken zich ∼¾ van de lengte van het flagellum uit, terwijl die van doubletten 3 en 8 het kortst zijn en eindigen op de kruising van het middenstuk met het hoofdstuk (Lindemann en Gibbons, 1975 Serres et al., 1983 Lindemann et al., 1992).

Rondom de ODF's in figuur 1A bevindt zich een dikke laag mitochondriën die een omhulsel vormen rond het flagellum net onder het buitenmembraan van de cel. In stiersperma bedekt deze mitochondriale omhulling (MS) de eerste 11 m van het flagellum, dat het middenstuk wordt genoemd, of afwisselend het middenstuk. Waar het middenstuk eindigt, bedekt een tweede omhulsel, de vezelachtige omhulsel (FS), het volgende deel van het flagellum, dat het hoofdstuk wordt genoemd, zoals te zien is in figuur 1B-D. De schede in het hoofdstuk strekt zich uit over ∼40 µm in stiersperma. In alle zoogdiersperma's neemt de dikte van de FS toe en wordt geleidelijk dunner in de distale richting. Het strekt zich niet uit tot de laatste paar micron van het flagellum. De schede wordt sterk verminderd en de ODF's zijn afwezig in het distale gedeelte van het flagellum, een gebied dat het eindstuk wordt genoemd en dat kan worden gezien in figuur 1E.

De MS en de FS bieden extra mechanische ondersteuning aan het flagellum en verhogen de stijfheid. Omdat de FS en ODF's taps toelopen, is het flagellum niet uniform in stijfheid en wordt het geleidelijk minder stijf in het distale gebied. Naast de mechanische rol van de omhulling en ODF's, is het ook goed gedocumenteerd dat de omhulling en ODF's ook de plaats zijn van vele enzymen die het metabolisme en de signalering in zoogdiersperma ondersteunen (Vijayaraghavan et al., 1997 Eddy, 2007), maar deze functies vallen buiten het bestek van deze review. Veel van de initiële beschrijving van de unieke ultrastructurele anatomie van het sperma van zoogdieren werd voor het eerst samengesteld door Fawcett en Phillips (Fawcett, 1958, 1975 Fawcett en Phillips, 1969, 1970 Phillips, 1972, 1997). Een vroege synthese van de relatie tussen anatomie en functie werd gepubliceerd door Phillips en Olson (1973), die een basis legden voor ons huidige begrip.


Spontane generatie

Leerdoelen

Leg de theorie van spontane generatie uit en waarom mensen deze ooit accepteerden als een verklaring voor het bestaan ​​van bepaalde soorten organismen

Leg uit hoe bepaalde personen (van Helmont, Redi, Needham, Spallanzani en Pasteur) spontane generatie probeerden te bewijzen of te weerleggen

Mensen vragen al millennia: waar komt nieuw leven vandaan? Religie, filosofie en wetenschap hebben allemaal met deze vraag geworsteld. Een van de oudste verklaringen was de theorie van spontane generatie, die terug te voeren is op de oude Grieken en in de middeleeuwen algemeen werd aanvaard.

De theorie van spontane generatie

De Griekse filosoof Aristoteles (384-322 v. Chr.) was een van de vroegst opgetekende geleerden die de theorie van spontane generatie , het idee dat leven kan ontstaan ​​uit niet-levende materie. Aristoteles stelde voor dat leven voortkwam uit niet-levend materiaal als het materiaal bevatte pneuma (“vitale warmte”). Als bewijs noemde hij verschillende gevallen van het verschijnen van dieren uit omgevingen die voorheen verstoken waren van dergelijke dieren, zoals de schijnbaar plotselinge verschijning van vissen in een nieuwe plas water. [1]

Deze theorie hield stand tot in de 17e eeuw, toen wetenschappers aanvullende experimenten ondernamen om het te ondersteunen of te weerleggen. Tegen die tijd citeerden de voorstanders van de theorie hoe kikkers eenvoudig lijken te verschijnen langs de modderige oevers van de rivier de Nijl in Egypte tijdens de jaarlijkse overstromingen. Anderen merkten op dat muizen gewoon verschenen tussen graan dat was opgeslagen in schuren met rieten daken. Toen het dak lekte en het graan vormde, verschenen er muizen. Jan Baptista van Helmont, een 17e-eeuwse Vlaamse wetenschapper, stelde voor dat muizen kunnen ontstaan ​​uit vodden en tarwekorrels die gedurende 3 weken in een open container worden bewaard. In werkelijkheid boden dergelijke habitats ideale voedselbronnen en beschutting voor muizenpopulaties om te gedijen.

Een van Van Helmonts tijdgenoten, de Italiaanse arts Francesco Redi (1626-1697), voerde in 1668 echter een experiment uit dat als een van de eersten het idee weerlegde dat maden (de larven van vliegen) zich spontaan voortplanten op vlees dat in de open lucht wordt weggelaten lucht. Hij voorspelde dat het voorkomen dat vliegen direct in contact komen met het vlees, ook het verschijnen van maden zou voorkomen. Redi liet vlees achter in elk van de zes containers ( Afbeelding 3.2 ). Twee waren open naar de lucht, twee waren bedekt met gaas en twee waren goed afgesloten. Zijn hypothese werd ondersteund toen maden zich ontwikkelden in de onbedekte potten, maar er verschenen geen maden in de met gaas bedekte of de goed afgesloten potten. Hij concludeerde dat maden zich alleen konden vormen als vliegen eieren in het vlees mochten leggen, en dat de maden de nakomelingen van vliegen waren, niet het product van spontane generatie.

Afbeelding 3.2 De experimentele opstelling van Francesco Redi bestond uit een open container, een container afgesloten met een kurken bovenkant en een container bedekt met gaas dat lucht binnenlaat maar geen vliegen. Er verschenen alleen maden op het vlees in de open container. Er werden echter ook maden gevonden op het gaas van de met gaas bedekte container.

In 1745 publiceerde John Needham (1713–1781) een verslag van zijn eigen experimenten, waarin hij kort bouillon kookte die doordrenkt was met plantaardig of dierlijk materiaal, in de hoop alle reeds bestaande microben te doden. [2] Vervolgens verzegelde hij de kolven. Na een paar dagen merkte Needham op dat de bouillon troebel was geworden en dat een enkele druppel talloze microscopisch kleine wezens bevatte. Hij betoogde dat de nieuwe microben spontaan moeten zijn ontstaan. In werkelijkheid heeft hij de bouillon echter waarschijnlijk niet genoeg gekookt om alle reeds bestaande microben te doden.

Lazzaro Spallanzani (1729-1799) was het echter niet eens met de conclusies van Needham en voerde honderden zorgvuldig uitgevoerde experimenten uit met verwarmde bouillon. [3] Net als in het experiment van Needham werd bouillon in verzegelde potten en niet-verzegelde potten doordrenkt met plantaardig en dierlijk materiaal. De resultaten van Spallanzani waren in tegenspraak met de bevindingen van Needham: verwarmde maar afgesloten kolven bleven helder, zonder tekenen van spontane groei, tenzij de kolven vervolgens aan de lucht werden geopend. Dit suggereerde dat microben vanuit de lucht in deze kolven werden geïntroduceerd. In reactie op Spallanzani's bevindingen betoogde Needham dat het leven voortkomt uit een "levenskracht" die werd vernietigd tijdens het langdurige koken van Spallanzani. Elke daaropvolgende verzegeling van de kolven verhinderde toen dat nieuwe levenskracht binnenkwam en spontane generatie veroorzaakte ( Afbeelding 3.3 ).

E. Capanna. "Lazzaro Spallanzani: aan de basis van de moderne biologie." Journal of Experimental Zoology 285 nee. 3 (1999):178-196.

R. Mancini, M. Nigro, G. Ippolito. "Lazzaro Spallanzani en zijn weerlegging van de theorie van spontane generatie." Le Infezioni in Medicina 15 nee. 3 (2007): 199-206.

Afbeelding 3.3 (a) Francesco Redi, die aantoonde dat maden het nageslacht waren van vliegen, geen producten van spontane generatie. (b) John Needham, die beweerde dat microben spontaan in bouillon ontstonden uit een 'levenskracht'. (c) Lazzaro Spallanzani, wiens experimenten met bouillon erop gericht waren die van Needham te weerleggen.

Beschrijf de theorie van spontane generatie en enkele van de argumenten die worden gebruikt om het te ondersteunen.

Leg uit hoe de experimenten van Redi en Spallanzani de theorie van spontane generatie op de proef stelden.

Spontane generatie weerleggen

Het debat over spontane generatie ging door tot ver in de 19e eeuw, met wetenschappers als voorstanders van beide kanten. Om het debat te beslechten, reikte de Academie van Wetenschappen van Parijs een prijs uit voor de oplossing van het probleem. Louis Pasteur, een prominente Franse chemicus die microbiële fermentatie en de oorzaken van wijnbederf had bestudeerd, nam de uitdaging aan. In 1858 filterde Pasteur lucht door een pistoolkatoenen filter en bij microscopisch onderzoek van het katoen vond hij het vol met micro-organismen, wat suggereert dat de blootstelling van een bouillon aan lucht geen "levenskracht" in de bouillon introduceerde, maar eerder in de lucht. micro-organismen.

Later maakte Pasteur een reeks kolven met lange, gedraaide halzen (“zwanenhals” kolven), waarin hij bouillon kookte om het te steriliseren ( Afbeelding 3.4 ). Zijn ontwerp maakte het mogelijk dat lucht in de kolven werd uitgewisseld met lucht van buitenaf, maar verhinderde de introductie van micro-organismen in de lucht, die verstrikt zouden raken in de kronkels en bochten van de nek van de kolven. Als een levenskracht naast de micro-organismen in de lucht verantwoordelijk zou zijn voor microbiële groei in de gesteriliseerde kolven, zou deze toegang hebben tot de bouillon, terwijl de micro-organismen dat niet zouden doen. Hij voorspelde terecht dat gesteriliseerde bouillon in zijn zwanenhalskolven steriel zou blijven zolang de zwanenhalzen intact bleven. Als de halzen echter worden gebroken, zouden micro-organismen worden geïntroduceerd, die de kolven verontreinigen en microbiële groei in de bouillon mogelijk maken.

Pasteur's reeks experimenten weerlegde onweerlegbaar de theorie van spontane generatie en leverde hem de prestigieuze Alhumbert-prijs op van de Parijse Academie van Wetenschappen in 1862. In een volgende lezing in 1864 verwoordde Pasteur " Omne vivum ex vivo ” (“Leven komt alleen uit leven”). In deze lezing vertelde Pasteur over zijn beroemde experiment met zwanenhalskolven, waarin hij stelde dat “... het leven een kiem is en een kiem is leven. Nooit zal de doctrine van spontane generatie herstellen van de dodelijke klap van dit eenvoudige experiment.” [4] Tot eer van Pasteur is dat nooit het geval geweest.

R. Vallery-Radot. Het leven van Pasteur , transl. RL Devonshire. New York: McClure, Phillips en Co, 1902, 1:142.

Afbeelding 3.4 (a) Franse wetenschapper Louis Pasteur, die de lang omstreden theorie van spontane generatie definitief weerlegde. (b) Door het unieke zwanenhalskenmerk van de kolven die in het experiment van Pasteur werden gebruikt, kon lucht de kolf binnendringen, maar verhinderde het binnendringen van bacteriële en schimmelsporen. (c) Pasteur's experiment bestond uit twee delen. In het eerste deel werd de bouillon in de kolf gekookt om deze te steriliseren. Toen deze bouillon werd afgekoeld, bleef deze vrij van verontreiniging. In het tweede deel van het experiment werd de kolf gekookt en vervolgens werd de nek afgebroken. De bouillon in deze kolf raakte besmet. (credit b: wijziging van het werk door "Wellcome Images"/Wikimedia Commons)

Hoe liet het experimentele ontwerp van Pasteur lucht, maar geen microben, binnen, en waarom was dit belangrijk?

Wat was de controlegroep in het experiment van Pasteur en wat liet het zien?


DISCUSSIE

Receptormethylering speelt een integrale rol bij bacteriële chemotaxis. Met de opmerkelijke uitzondering van Helicobacter pylori (Pittman et al., 2001), alle flagellated bacteriën lijken een of andere vorm van receptormethylering voor chemotaxis te gebruiken ʊlexander & Zhulin, 2007 Wuichet et al., 2007), hoewel de mechanistische details per soort aanzienlijk kunnen verschillen. Ondanks de prevalentie is methylatie van receptoren tot nu toe alleen uitgebreid bestudeerd in E coli. Er is weinig bekend over dit mechanisme bij andere soorten bacteriën. In dit werk hebben we onderzocht hoe covalente modificatie van de adaptatieplaatsen de chemotaxis-signalering beïnvloedt in B. subtilis. De canonieke asparaginereceptor, McpB, heeft drie adaptatieplaatsen, gelokaliseerd op residuen 371, 630 en 637 (Zimmer et al., 2000). We ontdekten dat de amidering van site 371 de gevoeligheid verhoogde - d.w.z. bindingsaffiniteit van de receptor voor asparagine, terwijl de overeenkomstige veranderingen aan de plaatsen 630 en 637 geen substantieel effect hadden. We vonden ook dat de amidering van de negatief geladen glutamaten op de plaatsen 630 en 637 de kinase-activiteit verminderde, terwijl de amidering van het glutamaat op de plaats 371, met een enkele uitzondering, de kinase-activiteit verhoogde. Ten slotte toonde het elektrostatische oppervlaktepotentieel van het cytoplasmatische domein van McpB aan dat negatieve ladingen op de adaptatieplaatsen het effect van covalente modificaties op het chemotactische vermogen verder zouden kunnen verklaren.

De B. subtilis stammen die in deze studie zijn gebruikt, bevatten allemaal CheD, dat functioneert in het CheC˽/Y-aanpassingssysteem door interactie met CheC wanneer CheYp-niveaus hoog zijn, waardoor CheD effectief weg wordt geworven van de receptoren. Eerdere experimenten hebben aangetoond dat mutanten ontbreken cheD activeer CheA-kinase slecht (Kirby et al., 2001). Het is mogelijk dat de glutamaat- en glutaminesubstituties op de drie methyleringsplaatsen de affiniteit van de receptor voor CheD kunnen veranderen, waardoor de CheA-kinase-activiteit wordt beïnvloed. De netto kinase-activiteit in de cel zou dus niet alleen de directe verandering in de receptor kunnen weerspiegelen die wordt veroorzaakt door covalente modificatie van de aanpassingsplaatsen, maar ook het secundaire effect van het veranderen van de affiniteit van de receptor voor CheD. Voorlopige experimenten geven echter aan dat als er dergelijke veranderingen in affiniteit zijn, deze gering zijn.

Zoals vermeld in Resultaten, is de reden dat we chemotaxis-assays konden gebruiken om receptormethylering te bestuderen, dat er twee andere aanpassingssystemen zijn in B. subtilis, de CheC˽/Y en CheV-systemen. Deze systemen zijn redundant, met twee voldoende voor chemotaxis, zij het met verminderde efficiëntie (Rao et al., 2008). In onze experimenten was het methylatiesysteem geïnactiveerd. Desalniettemin waren de cellen nog steeds in staat om opwaartse gradiënten van lokstof te migreren, hoewel met variërende efficiëntie op basis van de modificatietoestand ʏig.  2 ). Bovendien waren de cellen niet in staat tot perfecte aanpassing (Tabel  2 ).

De rol van elektrostatische interacties

Zoals uiteengezet in Resultaten, verhoogt de aanwezigheid van negatieve ladingen (glutamaten) op plaatsen 630 en 637 het negatieve oppervlakpotentieel van het aanpassingsgebied ʏig.  3 ) aanzienlijk. Gebaseerd op een model voorgesteld door het Falke-laboratorium voor de E coli receptoren, veronderstelden we dat deze elektrostatische interacties waarschijnlijk de intra- en inter-subunit pakking van de . beïnvloeden B. subtilis receptoren. Echter, de receptor–kinase complexen in B. subtilis en E coli wederzijdse polariteit hebben. Binding van lokstof verhoogt de kinase-activiteit in B. subtilis terwijl het het remt in E coli. Deze wederzijdse polariteit zou er mogelijk op kunnen wijzen dat de E coli model kan niet volledig worden toegepast op B. subtilis. De verschillen in kinase-activering zijn echter hoogstwaarschijnlijk te wijten aan hoe de twee sets receptoren een interactie aangaan met het kinase en niet aan de receptoren zelf. Bewijs is afkomstig van dynamische receptorlokalisatiestudies, waarbij is aangetoond dat de binding van lokstof de receptorpakking in beide verstoort. B. subtilis en E coli (Lamanna et al., 2005). De pakking werd hersteld zodra de cellen zich aan de lokstof hadden aangepast, vermoedelijk gedeeltelijk als gevolg van methylering en de gelijktijdige neutralisatie van afstotende elektrostatische interacties. Bovendien tonen deze resultaten aan dat ondanks de verschillen in polariteit, dezelfde veranderingen in receptorpakking worden waargenomen bij de twee soorten bacteriën. Ze tonen ook aan dat dezelfde veranderingen ook leiden tot kinase-activering in B. subtilis en kinaseremming in E coli, wat verder bewijs levert dat de verschillen te wijten zijn aan hoe de receptoren interageren met het kinase en niet aan het aanpassingsgebied, dat direct van invloed is op de verpakking. Ten slotte zijn deze patronen van reorganisatie ook consistent met ons model waar afstotende interacties tussen negatief geladen glutamaten op plaatsen 630 en 637 de receptor destabiliseren en leiden tot verhoogde kinase-activiteit.

ongelijkheid tussen B. subtilis en E coli is ook intrinsiek aan de receptoren zelf. In E colisubstituties van glutamines of glutamaten op alle methyleerbare posities verhogen zowel de kinase-activiteit als de KNS’ van de receptor (Li & Weis, 2000 Sourjik & Berg, 2002a). In B. subtilis, we ontdekten echter dat de modificatiestatus van sites 630 en 637 alleen de kinase-activiteit beïnvloedt, maar niet de duidelijk zichtbare KNS’. Alleen de amidatietoestand van site 371 heeft invloed op de ‘schijnbare KNS’. Interessant is dat we in onze structurele modellering hebben gevonden dat de amideringstoestand van site 371 het oppervlaktepotentieel niet zo sterk beïnvloedt als de amideringstoestanden van sites 630 en 637.

Implicatie dat activering en gevoeligheid van elkaar worden losgekoppeld

Zoals eerder vermeld, zijn activiteit en gevoeligheid niet direct met elkaar gecorreleerd in McpB. In particular, there are modifications with high activity and high apparent affinity 𨍱Q��) and others with low activity and low apparent affinity �𯘰Q� and 371E�𯘷Q). Likewise, there are modifications with high activity and low apparent affinity ���) and perhaps even one with low activity and high apparent affinity 𨍱Q𯘰Q𯘷Q). In E coli, on the other hand, there is a direct, inverse correlation between the two (Sourjik & Berg, 2002b, 2004). In the models commonly used to explain receptor activity in E coli, the receptor complex is assumed to exist in one of two states: ʁ) a high-affinity, low-activity state and ʂ) a low-affinity, high-activity state (Keymer et al., 2006 Mello & Tu, 2005 Rao et al., 2004). The equilibrium partitioning between these two states is determined by the concentration of chemoattractant and degree of methylation˺midation. Our data for McpB, however, imply that the mechanism for receptor activation cannot be described by a simple two-state model but instead requires a more complicated model involving additional conformational states. While we still lack the requisite biochemical data to construct such a quantitative model, our results nonetheless suggest that B. subtilis is able to independently tune these two factors.

Receptor structure

How are activity and sensitivity decoupled from one another? In particular, why do modifications to site 371 affect the 𠆊pparent KNS’ whereas ones to site 630 and 637 do not? While the actual mechanism is still unknown, we note that the associated mechanism of attractant binding is different in E coli en B. subtilis. In E coli, attractants bind across the dimer interface and induce a piston-like movement in the descending helix, the one emerging from the transmembrane region ʌhervitz & Falke, 1996 Yeh et al., 1993). In B. subtilis, attractant binds within an individual monomer and induces a rotation between the helices (Glekas et al., 2010 Szurmant et al., 2004). Site 371 is located on the descending helix. Thus, modifications to it may affect the ‘information flow’ towards both the sensing domain and the kinase, located at the turn (𠆋ottom’) of the receptor ʏig.  4 ). By contrast, sites 630 and 637 are on the ascending helix. Modifications to these sites may affect just the information flow solely towards the kinase ʏig.  4 ). In the three-dimensional structural model, of course, the three sites appear to form a closely spaced triad. The close proximity of the sites suggests that they may be affected by electrostatic interactions between them. It also suggests that modification of each site may affect not only the conformation of each monomer of the cytoplasmic domain separately but also the interface of the two monomers that form the tightly wound dimer. Finally, comparing a sequence alignment of other B. subtilis receptors such as McpA and McpC, we find that the triad of putative methylation sites, and presumably mode of action, is conserved in other B. subtilis receptors (Le Moual & Koshland, 1996).

Schematic representation of the McpB chemoreceptor monomer. The three adaptation sites are shown as white boxes. The cartoon shows that site 371 is in close proximity to the HAMP ( h istidine kinase, a denyl cyclase, m ethyl-accepting chemotaxis protein and p hosphatase) domain ʊravind & Ponting, 1999), which can transmit signals to ʊnd from) the sensing domain, the site where the ligand binds. Sites 630 and 637 can affect the signalling domain, which interacts with the kinase.

Comparison with previous work

Previously it was argued that the modification, amidation or methylation, of site 630 increased kinase activity whereas the modification of site 637 decreased it. These results were obtained from experiments where aspartate substitutions at each of the three sites and in combinations were examined using the tethered cell assay (Zimmer et al., 2000). This approach was based on previous work from the Koshland lab (Shapiro & Koshland, 1994), in which glutamate/glutamine residues were substituted with aspartate residues where a ‘permanent’ negative charge would be at the sites that could not be neutralized by methylation. Based on these previous studies, we anticipated that there would be some difference between sites 630 and 637 in the experiments reported in Tables  1 or ​ or2, 2 , but evidently there is none. One possible explanation for this discrepancy is that previously employed aspartate-for-glutamate/glutamine substitutions, which are shorter by one methylene group, may alter the conformation of the receptor in some unnatural way. Considering the close proximity of the three adaptation sites, it does seem plausible that moving the negative charge from its position in a glutamate to its position in an aspartate (the distance of a methylene group or 1.33 Å) could have unnatural effects.

Model for site-specific methylation during taxis in a concentration gradient of attractant

Based on the results of this work, we propose the following model for site-specific methylation. In the absence of attractant, we expect that site 371 is either amidated (i.e. glutamine) or methylated and sites 630 and 637 are unmethylated (i.e. glutamates). Such a modification state would be optimal in the sense that the kinase is maximally active and the 𠆊pparent KNS’ lowest. Thus, the bacteria would be able to detect a concentration gradient of attractant beginning at quite low concentrations. As the bacterium swam up the gradient, site 371 would gradually be deamidated when it is a glutamine or demethylated when a methyl-glutamate. This would have the effect of reducing kinase activity due to higher ambient concentrations of asparagine as part of the adaptation process and also increasing the 𠆊pparent KNS’, enabling the bacterium to optimally sense gradients at higher concentrations of attractant. Similarly, we expect that sites 630 and 637 would gradually become more methylated ʏor which amidation was used in this study as a mimic). This would have the effect of further reducing kinase activity as part of the adaptation process. Based on the relative timing of the demethylation and methylation steps (Kirby et al., 1999), we expect that changes at site 371 would occur more rapidly than those at sites 630 and 637. The reason why these two processes occur on different timescales, however, is still unknown.

Conclusies

In summary, we have found that amidation of site 371 increases McpB's apparent affinity for asparagine and also, in most cases, increases kinase activity. In addition, we found that amidation of sites 630 and 637 decreases kinase activity but does not affect the apparent affinity. These findings further our understanding of the site-specific methylation system in B. subtilis by demonstrating how the modification of specific sites can have varying effects on receptor function.


Abstract

Prokaryotic cells move through liquids or over moist surfaces by swimming, swarming, gliding, twitching or floating. An impressive diversity of motility mechanisms has evolved in prokaryotes. Movement can involve surface appendages, such as flagella that spin, pili that pull and Mycoplasma 'legs' that walk. Internal structures, such as the cytoskeleton and gas vesicles, are involved in some types of motility, whereas the mechanisms of some other types of movement remain mysterious. Regardless of the type of motility machinery that is employed, most motile microorganisms use complex sensory systems to control their movements in response to stimuli, which allows them to migrate to optimal environments.


Abstract

Multisubunit protein complexes are ubiquitous in biology and perform a plethora of essential functions. Most of the scientific literature treats such assemblies as static: their function is assumed to be independent of their manner of assembly, and their structure is assumed to remain intact until they are degraded. Recent observations of the bacterial flagellar motor, among others, bring these notions into question. The torque-generating stator units of the motor assemble and disassemble in response to changes in load. Here, we used electrorotation to drive tethered cells forward, which decreases motor load, and measured the resulting stator dynamics. No disassembly occurred while the torque remained high, but all of the stator units were released when the motor was spun near the zero-torque speed. When the electrorotation was turned off, so that the load was again high, stator units were recruited, increasing motor speed in a stepwise fashion. A model in which speed affects the binding rate and torque affects the free energy of bound stator units captures the observed torque-dependent stator assembly dynamics, providing a quantitative framework for the environmentally regulated self-assembly of a major macromolecular machine.

Biology is replete with examples of macromolecular protein complexes, which consist of smaller components that self-assemble to form functional molecular machines (1). Such machines perform essential biological functions across life forms, such as protein synthesis, ATP production, DNA replication, and intracellular transport (2 ⇓ ⇓ –5). The assembly of such complexes is known to be regulated at the level of gene transcription and protein synthesis, but little is known about the factors that control the fate of the assembly once the mature protein subunits enter their target space (cytoplasm, membrane, or cell wall). Typically, assembled protein complexes are assumed to be static, with functions independent of their mode of assembly.

A growing body of literature on subunit exchange in protein complexes is bringing this worldview into question (6). Among these, the bacterial flagellar motor, e.g., of Escherichia coli (Fig. 1EEN), has emerged as a prime example of a macromolecular complex whose assembly is dynamically modulated in a functionally relevant manner and serves as a case study in which a quantitative description of the process can be rigorously laid out. Self-assembled at the cell wall from over 20 different kinds of proteins, this motor propels cells through fluids by rotating extracellular helical filaments (7, 8). The part of the motor embedded in the inner membrane is called the rotor. Torque-generating stator units (each consisting of four MotA and two MotB proteins) bind to the peptidoglycan layer and apply torque on the rotor (9, 10). Up to 11 stator units work together to drive the motor and the bound units exchange with an inner membrane-embedded pool of unbound units (11 ⇓ –13). The motor adapts to changes in the mechanical load by changing the number of stator units, thereby matching output with demand (14 ⇓ –16). This dynamic self-assembly enables the cell to conserve resources. For example, when motors are first assembled and flagellar filaments are short, the torque required to spin them can be supplied by a small number of stator units, each of which passes the same number of protons per revolution (assuming tight coupling). A larger number of units waste energy without improving function.

(EEN) Schematic of the flagellar motor of E coli. Helical filaments that propel the cell are driven at their base by the motor. A flexible hook connects the filament to the motor’s drive shaft, which passes through the L ring (in the outer or lipopolysaccharide membrane) and the P ring (at the peptidoglycan layer) to reach the rotor (green, in the inner or cytoplasmic membrane). Stator units (red) bind to the peptidoglycan layer, span the cytoplasmic membrane, and apply torque on the C ring (at the level of the horizontal dashed line) to drive the motor. Several stator units work together to drive the motor at any time, as shown in the cross-sectional view. (B) The cell is tethered to a surface via a short flagellar stub. The motor rotates the cell body and exerts a high torque, as depicted by the lower left black arrow. We apply an assistive electrorotation torque (green) on the cell via a high-frequency rotating electric field it spins the cell at high speed and reduces the motor torque (lower right). (C) A torque–speed curve for a motor with 10 stator units. The progress of the experiment, from points 1, 2, 3, 4 and back to 1, is described in the text. The motor loses 4 stator units between 2 and 3 and recruits an equal number between 4 and 1. The torque–speed curves for motors with fewer than 10 stator units are shown by the dotted lines. In moving from 1 to 2, the torque drops gradually from 1 to the knee and then rapidly from the knee to 2. If the electrorotation field is strong enough, the rotation reduces the torque to zero (at the zero-torque speed).

Here we report the precise dependence of stator stoichiometry on torque over the full range of operating conditions, at steady state as well as after sudden changes in motor torque. To control the torque, we used electrorotation (Fig. 1B), in which a fast-rotating electric field applies external torque on a tethered cell (17, 18). Cells were tethered to sapphire via a short sticky-filament stub, and the rotating electric field was applied using an apparatus developed earlier (Materialen en methodes). When the external field was turned on, the cell rapidly sped up. We measured the dynamics of stator remodeling following a change in motor rotation rate from low speeds of about 10 Hz to high speeds ranging from 50 Hz to 300 Hz. The torque produced by the motor over these speeds ranged from high torque at low speeds to zero torque (and occasionally negative torque) at 300 Hz. The motor released all its stator units at speeds near the zero-torque speed. When the external field was turned off, the external load returned to a large value, and the speed increased in a stepwise manner, as new stator units were recruited. We used these measurements and the tools of statistical physics to develop a model for the torque-dependent stator assembly, which captured the observed dynamics.


Why do flagella form a bundle only when they rotate counterclockwise during chemotaxis? - Biologie

The bacterial flagellar motor is a molecular machine that converts an ion flux to the rotation of a helical flagellar filament. Counterclockwise rotation of the filaments allows them to join in a bundle and propel the cell forward. Loss of motility can be caused by environmental factors such as temperature, pH, and solvation. Hydrostatic pressure is also a physical inhibitor of bacterial motility, but the detailed mechanism of this inhibition is still unknown. Here, we developed a high-pressure microscope that enables us to acquire high-resolution microscopic images, regardless of applied pressures. We also characterized the pressure dependence of the motility of swimming Escherichia coli cells and the rotation of single flagellar motors. The fraction and speed of swimming cells decreased with increased pressure. At 80 MPa, all cells stopped swimming and simply diffused in solution. After the release of pressure, most cells immediately recovered their initial motility. Direct observation of the motility of single flagellar motors revealed that at 80 MPa, the motors generate torque that should be sufficient to join rotating filaments in a bundle. The discrepancy in the behavior of free swimming cells and individual motors could be due to the applied pressure inhibiting the formation of rotating filament bundles that can propel the cell body in an aqueous environment.

Masayoshi Nishiyama's present address is The Hakubi Center, Kyoto University, Kyoto, Japan.


Cooperation and Communication

Bacteria cooperate when cells perform actions that benefit other cells or the entire colony, and these actions are selected for [8]. Bacteria have developed cooperative behavior to cope with difficult environmental conditions. Bacteria communicate between individual cells and with the entire colony in order to cooperatively form patterns [2]. Generally, a higher lever of cooperation is observed when conditions are less favorable, such as in high-agar or low-nutrient media [4].

Bacteria colonies can be through of as multicellular organisms for the purposes of identifying patterns of growth [1]. Bacteria are able to change the morphotype of their entire colony (for example, from branching to chiral) within a time period as short as 48 hours in order to better suit their environment [2]. The ability of the colony to adhere to one morphotype and to transition completely to another are both characteristics of cooperative multicellular behavior and intercellular communication.

Bacteria communicate with other cells within the colony using a variety of methods, including direct and indirect cell-cell physical and chemical interactions, long range chemical signaling, and chemotactic signaling. The production of wetting fluid is an example of an indirect physical interaction [2]. Examples of chemical interactions include: long-range and short-range chemorepulsion (movement of a cell away from a substance), short-range chemoattraction (movement of a cell towards a substance), and rotational chemotaxis (movement of a cell guided by a chemical concentration gradient) [7].


Bekijk de video: Beweging 2: versnelling (November 2021).