Bacteria I By Thanut Amatayakul Faculty of Agricultural Product Innovation and Technology Srinakharinwirot University

Outline Bacterial Characteristics Example of bacteria in each groups Archaea Bacteria G- G+

Prokaryotic cell structure and function Size, Shape and arrangement Structures and Function Plasma membrane Cytoplasmic matrix Nucleoid Plasmid Bacterial cell wall Archaeal cell wall Secretion of Protein Components external to cell wall Endospore

Size, shape and arrangement เกิดจากการแบ่งตัวในระนาบต่างๆ Willy et al. (2008)

mycelium

ขนาดของ prokaryotes มีได้ตั้งแต่เล็กขนาดไวรัสจนใหญ่ถึงขนาดเกือบเม็ดเลือดแดง

Structures and Function of Prokaryotes นิวเคลียสไม่มีเนื้อเยื่อหุ้ม ลอยอยู่ใน cytoplasm อย่างอิสระ mass ต่างๆจะรวมตัวกันเรียกว่า inclusion body

Cell membranes ป้องกันไม่ให้สารต่างๆออกจากเซลล์โดยไม่จำเป็นนอกจากของเสีย เลือกให้อาหารเข้าสู่เซลล์ ป้องกันสารจากสิ่งแวดล้อม เลือกให้สาร (ion, molecules) ผ่าน  มีส่วนประกอบที่เป็นระบบเลือกผ่าน สร้างพลังงานจากการหายใจ (respiration) หรือการสังเคราะห์แสง (photosynthesis) และยังมีการสร้างไขมันและส่วนประกอบของง cell wall มีส่วนประกอบของ sensor/receprot เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม Plasma membrane

The Fluid Mosaic Model of Membrane Structure The Fluid Mosaic Model: Lipid bilayer with floated protein embedded inside Membrane หนา 5-10 nm Lipid: amphipathic Outside : hydrophilic Inside : hydrophobic ส่วนใหญ่เป็น phospholipid

ส่วนประกอบของ lipid ใน plasma membrane จะต่างกันไปตามสภาวะแวดล้อม ส่วนประกอบของ lipid บน plasma memrane ก็จะแตกต่างตามตำแหน่งต่างด้วย

Hapanoid ทำหน้าที่คล้าย sterol (cholesterol) คือช่วยทำให้ membrane มีความเสถียรเพิ่มมากขึ้น

Plasma membrane: protein Protein in plasma membrane also are amphipathic Lose protein: peripheral protein, 20-30% and water soluble Integral protein: 70-80% and water insoluble Protein can move to new location without flip-flop

Plasma membrane of Archaea ไขมันใน plasma membrane ของ Archaea แตกต่างจากแบคทีเรียและเซลล์ของ Eukaryotes อื่นๆที่ ไขมันจะมีส่วนของกรดไขมันเชื่อมต่อที่ glycerol เป็นกิ่งก้านออกมา โดยพันธะ ether แทนที่จะเป็นพันธะ ester Phosphate, sulfur, Sugar สามารถเชื้อมต่อทำให้เกิดความมีขั้วเพิ่ม มากขึ้น

Monolayer membraneมีความแข็งแรงทนต่ออุณหภูมิสูงได้มาก พบในพวก Thermoplasmaand Sulfolobus,which grow best at tem-peratures over 85°C, are almost completely tetraether monolay-ers. Archaea that live in moderately hot environments have a mixed membrane containing some regions with monolayers and some with bilayers.

Cytoplasmic matrix เป็นของเหลวที่เป็นแหล่งบรรจุ nucleiod, ribosome และ inclusion bodies Cytoplasmic matrix + plasma membrane = protoplast Cytoskeleton Bacteria also contain Cytoskeleton similar to Eukaryotic cell (involve in cell division)

Cytoplasmic matrix Inclusion bodies เป็นสาร organic หรือ inorganic ช่วยควบคุม osmotic pressure ภายในเซลล์ ใช้เป็นแหล่งเก็บหรือสะสมสารให้พลังงาน ตัวอย่าง polyphosphate granules, cyanophycin granules, and some glycogen granules (free floating without membrane bound) poly-b-hydroxybutyrate granules, some glycogen and sulfur granules, carboxysomes, and gas vacuoles (membrane enclosed)

Cytoplasmic matrix Ribosomes Ribosome made of protein and RNA Site for protein synthesis Cytoplasmic ribosome: protein within the cell Plasma membrane ribosome: protein export outside Size 70s from 50s and 30s (80s for Eukaryotes) Svedberg value or sedimentation coefficient. The sedimentation coefficient is a function of a particle’s molecular weight, volume, and shape. Heavier and more compact particles normally have larger Svedberg numbers or sediment faster

Nucleoid Genetic material (chromosome) is not packed with in membrane Prokaryotes contain a single circular of double strand DNA Some have linear DNA2 Some have more than one chromosome (Vibrio cholerae and Borrelia burgdorferi)

Isolated nucleoid contain DNA (60%), RNA (30%) and protein (10%). DNA packed with the help from RNA and protein. Few exception: bacterial phylum Planctomycetes. Pirellulahas a single membrane that surrounds a region, the pirellulosome, which contains a fibrillar nucleoid and ribosome-like particles. The nuclear body of Gemmata obscuriglobusis bounded by two membranes.

Plasmid Plasmid: extrachromosomal DNA Small, double strand DNA separated from DNA Circular (common) or linear Bacteria can survive without plasmid, but it gives advantages to bacteria. Some plasmids autonomously make themself Episome: plasmid insert themselves into chromosome and replicate with it. Some plasmids are lost during cell division.

Examples of Plasmids

Bacterial cell wall Rigid layer/ locate outside plasma membrane เป็นตัวกำหนดรูปร่างเซลล์ ป้องกันเซลล์จาก osmotic lysis ป้องกันเซลล์จากสารที่มีพิษ มีผลต่อคุณสมบัติการเป็นเชื้อก่อโรค

Peptidoglycan structure Polymer of N-acetylglucosamine and N-acetylmuramic acid with some odd amino acids (D-glutamic acid, D-alanine, and meso-diaminopimelic acid) D-amino acid prevent degradation by peptidase Some differences between G+ and G- G+ contain peptide interbridge

Gram positive cell wall Thick PG, peptide interbridge Contain teichoic acid (covalently link to peptidoglycan or plasma membrane) Teichoic acid = negatively charged  G+ become negatively charge Teichoic acid Not present in G- Periplasmic space in G+ between cell wall and plasma membrane is smaller than G-

Gram negative cell wall Structures of cell wall of G- are more complex than that of G+ Lots of periplasmic space containing enzymes and proteins Some periplasmic proteins: hydrolytic enzymes, transport proteinsx, synthesis of peptidoglycan

Porin ยอมให้สารโมเลกุลเล็กๆ เช่น กลูโคส หรือโมเลกุลเล็กกว่า 600-700 Daltons

Gram negative cell wall Lipopolysaccharide (LPSs) : lipid + carbohydrate It consists of three parts: (1) lipid A, (2) the core polysaccharide, and (3) the O side chain. Lipid A: two glucosamine sugar derivatives, each with three fatty acids (attach it to outer membrane) and phosphate or pyrophosphate The core polysaccharide : sugar (some are unusual) contain negatively charged sugar The O side chain : O antigen (carbohydrate extended outward from the core). The composition varies between strains of bacteria

Gram negative cell wall LPSs contribute to negative charge on the surface of G- LPSs involve in cell attachment to surface and biofilm formation LPSs help prevent bile salt, antibiotic, other toxic substance, host defense mechanism The lipid A portion is toxic endotoxin

Archaeal cell wall Archaeal cell walls lack peptidoglycan and also exhibit considerable variety in terms of their chemical make-up. Achaea สามารถแบ่งได้เป็น G+ และ G- เช่นกัน G+ Archaea: Methanobacteriumand some other methane-generating archaea (methanogens) have walls con-taining pseudomurein, a peptidoglycan-like polymer that has L-amino acids instead of D-amino acids in its cross-links, N-acetyltalosaminuronic acid instead of N-acetylmuramic acid, and b(1→3) glycosidic bonds instead of b(1→4) glycosidic bonds

Archaeal cell wall G- Archaea Cell wall contain glycoprotein or protein instead of polysaccharide Some methanogens (Methanolobus), salt-loving archaea (Halobac-terium), and extreme thermophiles (Sulfolobus, Thermoproteus, and Pyrodictium) have glycoproteins in their walls. In contrast, other methanogens (Methanococcus, ethanomicrobium, and Methanogenium) and the extreme thermophile Desulfurococcus have protein walls.

Secretion of Protein Plasma membrane ของ Archaea and G+ as และ plasma membrane และ outer membrane ของ G- เป็นโครงสร้างที่ป้องกันไม่ให้สารโมเลกุลใหญ่เข้าหรือออกจากเซลล์ แบคทีเรียต้องมีกลไกในการนำสารเหล่า โดยเฉพาะโปรตีน ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหรือ exoenzyme อออกจากเซลล์ กลไกในการขับโปรตีนออกจากเซลล์ เรียกว่า Sec-dependent pathway (General secretion pathway) นอกจากนี้ยังมีกลไกอื่นๆร่วมด้วย

Transfer โปรตีน unfold

Protein seccretion pathway เกี่ยวข้องกับ Sac dependent pathwway ผ่าน outer membrane Example MO. Example proteins Type II yes Yes Erwinia carotovora, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa,and Vibrio cholerae. pullulanases, cellulases, pectinases, proteases, and lipases, cholera toxin and pili proteins Type V สร้าง protein เป็นช่องผ่าน outer membrane เอง Type I (อาจเรียกว่า ABC protein secretion pathway) Common in both G+ and G- No ผ่านทั้ง plasma และ outer membrane Bacillus subtilis toxins (a-hemolysin), as well as pro-teases, lipases, and specific peptides

Protein seccretion pathway เกี่ยวข้องกับ Sac dependent pathwway ผ่าน outer membrane Example MO. Example proteins Type III (form syringe-like structure) no yes Salmonella, Yersinia, Shigella, E. coli, Bordetella, Pseudomonas aeruginosa,andErwinia. Inject vilulence factors (toxins, phago-cytosis inhibitors, stimulators of cytoskeleton reorganization in the host cell, and promoters of host cell suicide (apoptosis)) into host cell Type IV (form syringe-like structure) Secrete both protein and DNA during bacterial conjugation

Components external to cell wall ในโปรคาริโอตยังมีโครงสร้างภายนอกผนังเซลล์เพื่อทำหน้าที่ป้องกัน ช่วยในการยึดเกาะ และเคลื่อนที่ Capsule, Slime, and S-layer Capsule สารที่อยู่ภายนอกเผนังเซลล์และเกาะติดเป็นอย่างดี Slime layer เป็นบริเวณที่ไม่หนาแน่นและไม่เกาะติดกับเชื้อแบคทีเรีย หาก capsule หรือ Slime layer ประกอบขึ้นจาก polysaccharide จะถูกเรียกว่า glycocalyx (ช่วยในการยึดเกาะ) Capsule มีน้ำอยู่เป็นปริมาณมาก ช่วยป้องกันเชื้อแห้งตาย S-layer ประกอบจากโปรตีนหรือไกลโคโปรตีน เกาะติดกับ outer membrane (G-) และ peptidoglycan (G+) protect the cell against ion and pH fluctu-ations, osmotic stress, enzymes, or the predacious bacterium, host defense, cell adhesion

Components external to cell wall Pili and Fimbriae Fimbriae: Short, fine, hairlike, thinner than flagella helically arranged protein sub-units and are about 3 to 10 nm in diameter and up to several mi-crometers long. Sex pilli is bigger

Components external to cell wall Flagella and Motility Extended from plasma membrane ตำแหน่งการกระจายของ flagella แตกต่างกันออกไป Polar (Monotrichous) flagella เป็นเส้นเดี่ยวอยู่ตรงส่วนปลาย Amphitrichous มี flagella เป็นเส้นเดี่ยวอยู่ที่ขั้วทั้งสองด้าน Lophotrichous มี flasgella เป็นกลุ่มอยู่ที่ขั้วทั้งสองด้าน Peritrichous มี flagella กระจายอยู่ทั้วเซลล์

Flagella Ultrastructure Contain 3 section: (1) The longest and most obvious portion is the flagellar filament, which ex-tends from the cell surface to the tip. (กลวง-สร้างจากโมเลกุลเล็กของ flagelin ตรงปลายจะมีโปรตีน [Bdellovibrio] หรือไขมันปิด [Vibrio chlorela] ขึ้นอยู่กับแบคทีเรีย) (2) A basal body is embed-ded in the cell (ต่างจาก filament-มี 4 วงแหวน พบใน G- เป็นส่วนใหญ่ G+ มีแค่ 2 วงแหวน (3) a short, curved segment, the flagellar hook,links the filament to its basal body and acts as a flexible coupling. สร้างจากโปรตีน

Movement of Flagella การเคลื่อนที่ต่างจากใน Eukaryotes Move like propeller จะมีช่วงหยุดพักเพื่อให้คลายเกลียว The E. coli mo-tor rotates 270 revolutions per second; Vibrio alginolyticus averages 1,100 rps. การเคลื่อนที่จำเป็นต้องมี motor ที่ basal body ซึ่ง ring ต่างๆจะต้องสามารถหมุนได้อย่างเป็นอิสระ

Response to sodium gradient not ATP like in eukaryote

Other bacterial movement flexing and spinning movements caused by a special axial filament composed of periplasmic flagella. (Spirochetes) gliding motility, is employed by many bacteria: cyanobacteria, myxobacteria and cytophagas, and some my-coplasmas.

Endospore G+ มักจะสามารถสร้าง Endospore Bacillus and Clostridium(rods),Sporosarcina(cocci), and others. Very resistant and help survive during scarce of nutrient and water มีส่วนประกอบของ calcium และ Dipicolinic acid ภายใน core

Structure of endospore เยื่อบางๆของ exosporium ตามด้วย spore coat ที่มาจาก ชั้นโปรตีนหลายชั้น (หนา) และไม่ยอมให้สารเคมีที่มีพิษผ่านได้ และมีเอ็ยไซม์ที่เกี่ยวข้องในการเจริญงอกออกจากสปอร์ Cortex เป็นชั้น peptidoglycan ที่เชื่อมกันหนาแน่น กว่าใน vegetative cell ชั้นต่อไปเป็นชั้น spore cell wall มีส่วนของ DNA and ribosame like normal cell, but inactive

Structure and heat resistant of spore calcium-dipicolinate and acid-soluble protein stabilization of DNA, protoplast dehydration, the spore coat, DNA repair, the greater stability of cell proteins in bacteria adapted to growth at high temperatures, and others

Formation of Spore Lacks of Nutrient 7 stages An axial filament of nuclear material forms (stage I), followed by an inward folding of the cell membrane to enclose part of the DNA and produce the forespore septum (stage II). The membrane continues to grow and engulfs the immature endospore in a second membrane (stage III). Next, cortex is laid down in the space between the two membranes, and both calcium and dipicolinic acid are accumulated (stage IV). Protein coats then are formed around the cortex (stage V), and maturation of the endospore occurs (stage VI). Finally, lytic enzymes destroy the sporangium releasing the spore (stage VII).

Spore germination 3 stages (1) activation (need heat) (2) germination (spore swelling, rupture or absorption of the spore coat, loss of resistance to heat and other stresses, loss of refractility, re-lease of spore components, and increase in metabolic activity.) (3) outgrowth (The spore protoplast makes new components, emerges from the remains of the spore coat, and develops again into an active bacterium.)

Archaea

Archaea The Archaea[Greek archaios, ancient] Can be stained with G+ and G- with many shapes: spherical, rod-shaped, spiral, lobed, cuboidal, triangular, plate-shaped, irregularly shaped, or pleomorphic, filamentus. Diameter 0.1 to more than 15 mm Multiplication may be by binary fission, budding, fragmentation, or other mechanisms. Live in extreme environment s

Extreme environements High or low temperature (valcano, hot spring) High or Low pH Concentrated salt Some live in digestive tracts of animals

Cell wall of Archaea ไม่มี muramic acid และ D-amino acids ในการสร้าง peptidoglycan แต่มี peptidoglycan-like polymerที่มี crosslink กับ L-amino acid (มี pseudomurein) some hyperthermophilic archaea and methanogens have protein walls Archaea membrane lipid contains fatty acid link to glycerol by ether instead of ester Polar phospholipids, sulfolipids, and glycolipids are also found in archaeal membranes.

Genetic and molecular biology บางส่วนของพันธุกรรมของ Archaea เหมือนกับแบคทีเรียและมีบางส่วนเหมือน eukaryote ขนาดของสารพันธุกรรมเล็กกว่าแบคทีเรีย ปริมาณ G+C มีความหลากหลายมากมายตั้งแต่ 21% - 68% มี plasmid First, about 30% of all genes shared exclusively be-tween archaea and eucaryotes encode proteins involved in transcription, translation, or DNA metabolism. In contrast, a large number of the genes shared only between Bacteria and Archaea are involved in metabolic pathways. In addition, there is evidence for horizontal gene transfer between these two domains, espe-cially between thermophilic bacteria and archaea

Archaeal DNA replication appears to be a complex mixture of eucaryotic and procaryotic features. Transcription in the Archaea likewise blends bacterial and eucaryotic features. Translation of Archaea is very unique Sec-denpendent similar to eukaryote

Metabolisms Archaeal metabolism varies greatly among the members of different groups. Some archaea are organotrophs; others are autotrophic. A few even carry out rhodopsin-based phototrophy.

Phylogenetic classification of Archaea 2 phyla the phyla Euryarchaeota[Greek eurus, wide, and Greekarchaios, ancient or primitive] and (มีแหล่งที่อยู่มากมายทำให้มีรูปแบบ metabolic ที่หลากหลาย) แบ่งเป็น 8 classes (Methanobacteria, Methanococci, Halobacteria, Thermoplasmata, Thermococci, Archaeglobi, Methanopyri, and the recently added Methanomicrobia methanogens, extreme halophiles, sulfate reducers, and many extreme thermophiles with sulfur-dependent metabolism

one classes : Thermoprotei Four orders and six families The phyla Crenarchaeota [Greekcrene,spring or fount, and archaios] mostly thermophile/ love acid/ use sulfur as electron acceptor in aerobic respiration and electron donor in lithotrophs / 25 genera one classes : Thermoprotei Four orders and six families Order Thermoproteales: G- aerob to facu. Rod reduce sulfur to hydrogen sulfide Order Sulfolobales : coccus shape, thermoacidophile

Order Desulfurococcales : G-, coccoid or disk-shaped hyperther-mophiles. They grow either chemolithotrophically by hydrogen oxidation or organotrophically by fermentation or respiration with sulfur as the electron acceptor. Order Caldisphaeraleswas re-cently added. It has only one genus, Caldisphaera,whose members are thermoacidophilic, aerobic, heterotrophic cocci.

Example of Crenarchaeota genus Sulfolobus: G-, aerobe, irregularly lobed spherical archaea/ opt. temp. = 70-80oC/opt. pH 2-3 [called thermoacidophile] / cell wall contain lipoprotein-carbohydrate, lithotrophically grow on sulfur granule sulfuric acid

Example of Crenarchaeota genus Thermoproteus: long thin rod/can be branched / cell wall contain glycoprotein / strict anaerobe/ opt. temp. 70-97oC/ pH between 2.5-6.5/ need sulfur/ some are organotrophic [glucose, amino acid, alcohol, organic acid] / anaerobic respiration and can be chemolithotropic using CO and CO2 as well as S

Example of Euryarchaeota The methanogens: strict anaerobe/ converting CO2,H2 , formate, methanol, acetate, and other compounds to either methane or methane and CO2 5 orders and 25 genera Vary greatly in this group (shape, 16S rRNA sequence, cell wall chemistry and structure, membrane lipids, and other features.)

their metabolism is unusual These procaryotes contain several unique cofactors: tetrahy-dromethanopterin (H4MPT), methanofuran (MFR), coenzyme M (2-mercaptoethanesulfonic acid), coenzyme F420, and coenzyme F430 ATP synthesis is linked with methanogenesis by electron trans-port, proton pumping, and a chemiosmotic mechanism.

เชื้อที่ผลิตก๊าซมีเทนมักอาศัยอยู่ในสภาวะไร้ออกซิเจน เช่น ในลำไส้ของวัว พื้นผิวของคลอง บึง น้ำพุร้อน มีเทนที่ผลิตขึ้นจะกลายเป็นฟองอากาศลอยขึ้นบนผิวหน้าของน้ำ ในวัว อาจสร้างมากจนวัวสามารถปล่อยแก๊สออกมาได้วันละ 200-400 ลิตร

Example of Halobacteria มี 17 genera ใน family Halobacteriaceae Most are aerobic chemoorganotrophs with respiratory metabolism รูปร่างเซลล์อาจเป็นทรงลูกบาศก์ พิรามิด ทรงกลม แท่ง อาศัยในสภาวะที่มีเกลือ อย่างน้อย 1.5 M (ประมาณ 8% w/v) Opt. NaCl 3-4 M (17-23%) ใช้ในการผลิตอาหาร เช่น น้ำปลา ซีอิ๊ว โดยส่วนใหญ่สร้างสารให้สี สีแดง ถึง เหลือง

Halobacterium salinarium สร้าง bacteriorhodopsin โครงสร้างเหมือนที่พบในดวงตาของคนฝังใน plasma membrane ทำหน้าที่สร้าง pH gradient และสร้างพลังงาน

Example of Thermoplasma Thermoacidophile และ ไม่มี cell wall Three families, Thermoplasmataceae, Picrophilaceae และ Ferroplasmataceae. three genera, Thermoplasma, Picrophilus และ Ferroplasma Thermoplasma : พบในกองแร่เหล็กที่ร้อนและมีความเป็นกรดจากเชื้อที่ผลิตกรด sulfuric / ไม่มี cell wall แต่ plasma membrane มี tetraether เชื่อมที่ glycerol และมี polysaccharide และ glycoprotein / irregular shape (high temp)-sphere at low temp.

Picrophilus : ไม่มี cell wall แต่มี S-layer ภายนอก plasma membrane / irregular shape cocci / It is most remark-able in its pH requirements: it grows only below pH 3.5 and has a growth optimum at pH 0.7. Growth even occurs at about pH 0!

Example of Extremely Thermophilic S0 -Metabolizers One family, three genera : Thermococcus, Paleococcus และ Pyrococcus Reduce sulfur to sulfide Strictly anaerobe อาศัยทีอุณหภูมิสูง 80-100oC

Example of Sulfate-Reducing Euryarchaeota in the class Archaeoglobi and the order Archaeoglobales. This order has only one family and three genera. Archaeoglobus : G-, irregular shape, glycoprotein cell wall / reduce sulfate, sulfite, or thiosulfate to sulfide