معلومة

1.2.4: التنوع البيئي للميكروبات - علم الأحياء

1.2.4: التنوع البيئي للميكروبات - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • لخص كيف يساهم التنوع الميكروبي في الاحتلال الميكروبي لمنافذ جغرافية متنوعة.

يشتمل العالم الميكروبي على معظم التنوع الوراثي على الأرض ، حيث أن جميع البكتيريا ، وجميع الأركيا ، ومعظم سلالات Eukarya هي كائنات دقيقة. تعيش الميكروبات في كل نوع من الموائل (الأرضية أو المائية أو الجوية أو المضيفة الحية) ويؤثر وجودها دائمًا على البيئة التي تنمو فيها. تنوعها يمكّنهم من الازدهار في البيئات شديدة البرودة أو شديدة الحرارة. كما أن تنوعها يجعلها تتحمل العديد من الظروف الأخرى ، مثل محدودية توافر المياه ، وارتفاع نسبة الملح ، وانخفاض مستويات الأكسجين.

ومع ذلك ، لا يمكن لكل ميكروب أن يعيش في جميع الموائل. تطور كل نوع من أنواع الميكروبات ليعيش ضمن نطاق ضيق من الظروف. على الرغم من أن الغالبية العظمى من التنوع الميكروبي لا يزال غير محدد ، فمن المفهوم عالميًا أن تأثيرات الكائنات الحية الدقيقة على بيئتها يمكن أن تكون مفيدة. تنبع الآثار المفيدة للميكروبات من أنشطتها الأيضية في البيئة ، وارتباطها بالنباتات والحيوانات ، ومن استخدامها في عمليات إنتاج الغذاء والتكنولوجيا الحيوية.

في المقابل ، تلعب البيئة والاختلالات الأخيرة في درجات الحرارة دورًا حاسمًا في إحداث تغييرات في المجتمعات الميكروبية. على سبيل المثال ، يُعتقد أن تجمع الميكروبات الموجودة على سطح مياه البحر قد خضع لتغير هائل فيما يتعلق بالتكوين والوفرة والتنوع والفوعة نتيجة لارتفاع درجة حرارة سطح البحر الذي يؤدي إلى تغير المناخ.

بالنسبة لعلماء الأحياء الدقيقة ، من الأهمية بمكان دراسة التكيف الميكروبي مع البيئات المختلفة ووظائفها في تلك البيئات لفهم التنوع الميكروبي العالمي ، والبيئة ، والتطور. يعتمدون على عوامل فيزيائية وكيميائية محددة مثل قياس درجة الحرارة ودرجة الحموضة والملوحة داخل منطقة جغرافية معينة لصياغة مقارنة بين المجتمعات الميكروبية والبيئة التي يمكن أن تتحملها الأنواع المختلفة. يجمع الباحثون عينات من مناطق جغرافية ذات ظروف بيئية مختلفة وبين المواسم لتحديد كيفية تشكيل أنماط التشتت المجتمعات الميكروبية وفهم سبب عيش الكائنات الحية في أماكن وجودها. على هذا النحو ، يمكن اختبار المجتمعات الميكروبية من المحيطات الساحلية والمفتوحة والمناطق القطبية والأنهار والبحيرات والتربة والغلاف الجوي والجسم البشري. تخلق هذه العينات نقطة انطلاق لفهم كيفية ارتباط وفرة وتكوين المجتمعات الميكروبية بالاضطرابات المناخية ، والتفاعل للتأثير على عمليات النظام البيئي ، والتأثير على صحة الإنسان. يؤدي التدخل في الكتلة الحيوية الميكروبية الطبيعية إلى تعطيل توازن الطبيعة والنظام البيئي ويؤدي إلى فقدان التنوع البيولوجي.

النقاط الرئيسية

  • الأنواع الميكروبية المختلفة تزدهر في ظل ظروف بيئية مختلفة.
  • تشغل المجتمعات الميكروبية الموائل المائية والبرية وتشكل غالبية التنوع البيولوجي على الأرض.
  • تحافظ التنوعات الميكروبية على النظام البيئي الذي تنمو فيه.

الشروط الاساسية

  • التنوع البيولوجي: تنوع (عدد الأنواع وتنوعها) الحياة النباتية والحيوانية داخل المنطقة.
  • الكتلة الحيوية: الكتلة الإجمالية لجميع الكائنات الحية داخل منطقة أو موطن معين.

بروبيوتيك الزائفة تعزز المجتمعات نمو النبات واستيعاب المغذيات من خلال أداء النظام البيئي بوساطة التنوع

تعمل اللقاحات متعددة السلالات على تحسين نمو النبات بشكل أفضل من اللقاحات أحادية السلالة.

كانت تأثيرات الثراء أقوى بشكل واضح من الزائفة سلالات هوية الآثار.

الملقحات متعددة السلالات تعزز اللقاحات ووفرة في منطقة الجذور.

نمو النبات مرتبط بالهرمونات النباتية ، حامض الحديد والذوبان في الفوسفور.


ما هو التنوع الميكروبي؟

تعد الميكروبات أحد أشكال الحياة السائدة التي تحدث في الكون ، لكن معظمنا يجهل صورتها الحقيقية. ربما يكون هذا بسبب صغر حجمها بحيث يمكن رؤيتها بالعين المجردة. لهذا السبب فقط ، ظلوا مجهولين حتى حوالي 300 عام.

علم الأحياء الدقيقة هو دراسة الكائنات الحية ذات الحجم المجهري والتي تشمل البكتيريا والفطريات والطحالب والأوليات والعوامل المعدية على خط الحياة الذي يسمى الفيروسات. يهتم هذا العلم بشكلها وبنيتها وتكاثرها وعلم وظائف الأعضاء والتمثيل الغذائي والتصنيف.

ويشمل توزيعها في الطبيعة ، وعلاقتها ببعضها البعض والكائنات الحية الأخرى ، وتأثيراتها على البشر والحيوانات والنباتات الأخرى. مرة أخرى ، يشمل قدرتها على إجراء تغييرات فيزيائية وكيميائية في البيئة وعلاقتها بالعوامل الفيزيائية والكيميائية.

نظرًا لأن هذه الكائنات بعيدة عن أنظار الإنسان العادي لأسباب عديدة ، فإن مساهماتها ليس فقط في حياتنا ولكن أيضًا في هذه الأرض لم يتم تقديرها بشكل صحيح. الجانب الوحيد من أفعالهم التي لا تعد ولا تحصى التي يتم تسليط الضوء عليها هو قدرتها على التسبب في البؤس والمرض والإصابة.

من ناحية أخرى ، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بصحة البشر ورفاههم. تشارك الميكروبات في صنع اللبن الرائب والجبن والزبدة والنبيذ ، وفي إنتاج المضادات الحيوية مثل البنسلين ، وتصنيع الأحماض العضوية ، والكحول ، ومعالجة النفايات المنزلية والصناعية. نادرًا ما تمر لحظة لا يؤثر فيها التأثير النافع أو الضار للميكروبات على البشرية.

عادة ما تكون الميكروبات كائنات مجهرية متعددة الثقافات ، تكون عالمية في توزيعها ، أي أنها منتشرة على نطاق واسع في الهواء والماء والتربة والبحر والجبال والينابيع الساخنة وأيضًا في أجسام النباتات والحيوانات الحية بما في ذلك الإنسان.

هم موجودون بغزارة في العالم الطبيعي ومن صنع الإنسان. هذه الكائنات لديها درجة عالية من القدرة على التكيف. وهكذا ، فإن الميكروبات تشكل عالمًا خاصًا بها ، مليئًا بالتفرد من وجهات نظر بيولوجية مختلفة.

تعد الكائنات الحية الدقيقة نماذج جذابة للغاية لدراسة عمليات الحياة الأساسية. يمكن زراعتها بسهولة في أنابيب أو قوارير ، وبالتالي تتطلب مساحة وصيانة أقل من النباتات والحيوانات الكبيرة.

معدل نموها سريع جدًا كما أنها تتكاثر بوتيرة أسرع من العديد من أشكال الحياة الأخرى. على سبيل المثال ، في ظل ظروف مناسبة ، يمكن أن تخضع بعض أنواع البكتيريا لما يقرب من 100 جيل في فترة 24 ساعة. تتبع عمليات التمثيل الغذائي للميكروبات النمط الذي يحدث في النباتات والحيوانات العليا.

تستخدم الخمائر أحادية الخلية الجلوكوز بشكل أساسي بنفس طريقة خلايا أنسجة الثدييات ، كما تشارك نفس نظام الإنزيمات. يتم حجز الطاقة المحررة في تكسير الجلوكوز واستخدامها لاحقًا للأنشطة الحيوية للخلايا ، سواء كانت بكتيريا أو خميرة أو أواليات أو خلايا عضلية.

تتميز النباتات بقدرتها على الاستفادة من الطاقة الشمسية ، حيث تتطلب الحيوانات مواد كيميائية لعمليات حياتها. في هذا الصدد ، بعض الميكروبات مثل النباتات ، والبعض الآخر مثل الحيوانات والبعض الآخر لديه قدرة فريدة على التصرف مثل النباتات والحيوانات.

في علم الأحياء الدقيقة ، يمكن دراسة الكائنات الحية بتفصيل كبير ويمكن ملاحظة عمليات حياتها أثناء عملية التمثيل الغذائي والنمو والتكاثر والشيخوخة والموت. من خلال تعديل بيئتهم ، يمكن تغيير أنشطتهم الأيضية ، ويصبح النمو منظمًا وقد يغير أنماطهم الجينية. كل هذه يمكن أن تدرس دون التسبب في أي ضرر للكائن الحي.


التنوع المخفي في ميكروبات التنظيف البيئي الرئيسية التي وجدها تقييم بيولوجيا الأنظمة

صورة: قام فريق من الباحثين ، بما في ذلك Kostas Konstantinidis من Georgia Tech ، بتحليل التسلسل الجيني لعشر سلالات Shewanella ووجدوا أن ما يقرب من نصف جينات ترميز البروتين التي يبلغ عددها 10000 كانت خاصة بالسلالة. عرض المزيد

الائتمان: جورجيا للتكنولوجيا الصورة: غاري ميك

أكمل الباحثون أول تقييم شامل على مستوى النظام لتنوع جنس مهم بيئيًا من الميكروبات يُعرف باسم Shewanella. غالبًا ما تشارك الميكروبات التي تنتمي إلى هذا الجنس في المعالجة البيولوجية عن طريق حصر وتنظيف المناطق الملوثة في البيئة.

حلل فريق الباحثين من معهد جورجيا للتكنولوجيا وجامعة ولاية ميشيغان ومختبر المحيط الهادئ الشمالي الغربي التسلسل الجيني والبروتينات المعبر عنها وعلم وظائف الأعضاء لعشر سلالات من Shewanella. يعتقدون أن نتائج الدراسة ستساعد الباحثين على اختيار أفضل سلالة Shewanella لمشاريع المعالجة الحيوية بناءً على الظروف البيئية والملوثات لكل موقع.

تظهر النتائج ، التي تعزز فهم التنوع البيولوجي الميكروبي الهائل الموجود على هذا الكوكب ، في العدد الأول على الإنترنت من مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. تم دعم هذا البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية من خلال كونسورتيوم اتحاد Shewanella ومشروع تطبيق Proteomics.

على غرار استنشاق الإنسان للأكسجين وزفير ثاني أكسيد الكربون ، فإن العديد من ميكروبات شيوانيلا لديها القدرة على "استنشاق" معادن ومركبات معينة وتحويلها إلى حالة متغيرة ، والتي عادة ما تكون أقل سمية بكثير. هذه القدرة تجعل Shewanella مهمة للغاية بالنسبة للبيئة والمعالجة الحيوية ، ولكن اختيار أفضل سلالة لمشروع معين كان يمثل تحديًا.

"إذا نظرت إلى سلالات مختلفة من Shewanella تحت المجهر أو نظرت إلى جيناتها الريبوزومية ، والتي تُستخدم بشكل روتيني لتحديد سلالات البكتيريا المعزولة حديثًا ، فإنها تبدو متطابقة. وبالتالي ، فإن الأساليب الميكروبيولوجية التقليدية تشير إلى علم وظائف الأعضاء والنمط الظاهري لهذه وأوضح كوستاس كونستانتينيديس ، الأستاذ المساعد في مدرسة جورجيا التقنية للهندسة المدنية والبيئية ، أن بكتيريا شيوانيلا متشابهة جدًا ، إن لم تكن متطابقة ، لكن هذا ليس صحيحًا. قاد كونستانتينيديس ، الذي يشغل أيضًا منصبًا مشتركًا في كلية الأحياء ، فريق البحث في تحليل البيانات.

باستخدام الطريقة التقليدية لتحديد الترابط بين السلالات الميكروبية - تسلسل الجين الريبوزومي 16S - قرر الباحثون أن السلالات العشر تنتمي إلى نفس الجنس. ومع ذلك ، لم تكن هذه التقنية قادرة على التمييز بين معظم السلالات أو تحديد الخصائص العامة التي من شأنها أن تسمح للباحثين بالتفريق بين سلالة وأخرى. للقيام بذلك ، لجأوا إلى البيانات الجينومية والبروتينية للخلية الكاملة.

من خلال مقارنة جينومات Shewanella العشرة ، والتي تم ترتيبها في معهد الجينوم المشترك التابع لوزارة الطاقة ، وجد فريق البحث أنه في حين أن بعض السلالات تشترك في 98 بالمائة من نفس الجينات ، فإن السلالات الأخرى تشارك 70 بالمائة فقط. من بين ما يقرب من 10000 جينة ترميز بروتين في السلالات العشر ، كان ما يقرب من نصف - 48 في المائة - من الجينات خاصة بالسلالة ، وكانت الاختلافات في البروتينات المعبر عنها أكبر باستمرار من الاختلافات على مستوى محتوى الجين.

وأشار كونستانتينيديس إلى أن "هذه النتائج تشير إلى أن التشابه في تنظيم الجينات والتعبير عنها يشكل عاملاً مهمًا في تحديد التشابه أو الاختلاف الظاهري بين جينومات Shewanella وثيقة الصلة". "يشيرون أيضًا إلى أنه قد يكون الوقت قد حان للبدء في استبدال مناهج علم الأحياء الدقيقة التقليدية لتحديد وتصنيف الأنواع الجديدة بالطرق القائمة على الجينوميات أو البروتينات."

بعد إجراء مزيد من التحليل ، وجد الباحثون أن الاختلافات الجينية بين السلالات تعكس في كثير من الأحيان التكيف والتخصص البيئي أو البيئي ، مما أدى أيضًا إلى تغيير كبير في الشبكات الأيضية والتنظيمية العالمية في بعض السلالات. يبدو أن الكائنات الحية Shewanella في الدراسة اكتسبت معظم وظائفها الجديدة من خلال اكتساب مجموعات من الجينات كجزر جينية متحركة ، واختيار الجزر التي تحمل جينات مهمة بيئيًا وفقدان الجينات غير المهمة بيئيًا.

كانت الوظائف الفردية الأكثر تغيرًا في Shewanellae مرتبطة بمعادن "التنفس" وآليات الاستشعار ، والتي تمثل الخط الأول من الاستجابة التكيفية للظروف البيئية المختلفة. تعيش بكتيريا Shewanella في بيئات تتراوح من الحجر الرملي العميق تحت السطح إلى الرواسب البحرية ومن المياه العذبة إلى المياه المالحة. تمكنت جميع السلالات باستثناء واحدة من تقليل العديد من المعادن والأشباه المعدنية. هذا الاستثناء الوحيد قد شهد تطورًا فريدًا أدى إلى عدم القدرة على استغلال الموائل اللاهوائية بشكل صارم.

أوضح كونستانتينيديس: "لنفترض أن لديك سلالة شيوانيلا غير قادرة على تحويل اليورانيوم المذاب في المياه الجوفية الملوثة إلى شكل غير قادر على الذوبان في الماء". "إذا وضعت هذه السلالة في بيئة تحتوي على تركيزات عالية من اليورانيوم ، فمن المحتمل أن يكتسب هذا الميكروب الجينات التي تقبل اليورانيوم من سلالة قريبة ، مما يمنع بدوره انتشار اليورانيوم مع تدفق المياه الجوفية."

إن قدرة البكتيريا على التكيف رائعة ، ولكنها تتطلب مزيدًا من الدراسة في مجال المعالجة الحيوية ، لأنها غالبًا ما تشكل أساس ظهور سلالات بكتيرية جديدة. يقوم فريق Konstantinidis في Georgia Tech حاليًا بالتحقيق في مجتمعات سلالات Shewanella هذه في بيئاتها الطبيعية لتعزيز فهم تأثير البيئة على تطور الجينوم البكتيري وتحديد الجينات الرئيسية في الجينوم التي تستجيب لمحفزات أو ظروف بيئية معينة ، مثل وجود المعادن الثقيلة.

وقال إن الدراسات الجارية يجب أن توسع فهم الباحثين للعلاقة بين النمط الجيني والنمط الظاهري والبيئة والتطور.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة على EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


ملاحظات ختامية

الدراسة التي أجراها كاتاياما وآخرون. 9 يضيف إلى العديد من الأمثلة على الميكروبات ، التي تحدى زراعتها وتوصيفها وجهات النظر الحالية حول كيفية تنظيم الخلايا بدائية النواة 4،5،6،7،8. يوضح عملهم بوضوح مدى أهمية متابعة المهمة الشاقة المتمثلة في جلب أنواع من الشعب المراوغة سابقًا إلى الثقافة. لا شك أن بيولوجيا الخلايا البكتيرية غير المرئية تنتظر الاكتشاف. نظرًا لأنه تم حصاد الثمار المتدلية من حيث الميكروبات سريعة النمو وسهلة النمو ، فقد تحتاج المحاولات المستقبلية إلى التركيز على الكائنات الحية والكائنات الحية ذات النمو البطيء مع متطلبات النمو المعقدة مثل الوسائط المعقدة كيميائيًا أو معلمات التدرج أو الحاجة إلى زراعة. تحتاج خطط التمويل المستقبلية إلى الاعتراف بهذه التحديات ، حيث قد تكون فترات التمويل النموذجية أقصر من أن تدعم مثل هذه الاكتشافات. ومع ذلك ، فإن اكتشاف التنوع الميكروبي لا يكشف فقط عن بيولوجيا جديدة رائعة ، ولكنه يساهم أيضًا في فهمنا للتدفقات العالمية للمادة وتغير المناخ ، ويتيح تطبيقات التكنولوجيا الحيوية في المستقبل.


ب. حالة الميدان

تم استخدام المستشعرات الحيوية البسيطة لمعالجة الأسئلة البيئية لأكثر من 30 عامًا ، وهناك عدد من المقالات الممتازة التي تراجع العمل التاريخي (Gage et al. ، 2008 van der Meer and Belkin ، 2010). كما هو مبين في القسم أ ، يمكن معالجة العديد من الأسئلة المتعلقة بالبيئة وعلوم الأرض باستخدام قدرات البيولوجيا التركيبية الناشئة. في هذا القسم ، نناقش الابتكارات الحديثة بما في ذلك توسيع قدرات الاستشعار ، وتنويع المخرجات ، وإنشاء دوائر وراثية أكثر تعقيدًا ، وتطوير مناهج لضبط مكونات الدوائر للتطبيقات البيئية.

المدخلات: قدرات الاستشعار يمكنها مراقبة الظروف المتنوعة

تم تصميم وحدات الاستشعار التي تستجيب لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية العضوية وغير العضوية ذات الصلة بالبيئة وكذلك السلوكيات المجتمعية مثل تفاعلات HGT والخلايا الخلوية. في حين تم تصميم العديد من أجهزة الاستشعار الحيوية المبكرة لاستشعار المواد الكيميائية السامة (King et al. ، 1990) ، فقد تم أيضًا تطوير وحدات لاستشعار المواد الكيميائية التي تعتبر جزءًا لا يتجزأ من الدورات الكيميائية الحيوية (الجدولان 1 & # x020133). مع قدرات الاستشعار الجديدة هذه ، يمكن الآن تطبيق أجهزة الاستشعار الحيوية للإجابة على الأسئلة الأساسية حول كيفية إدراك الميكروبات للتقلبات في كل من المعلمات البيئية الكيميائية والفيزيائية.

جميع أجهزة الاستشعار الحيوية لها وظيفتان أساسيتان: (1) للاستجابة لظروف بيئية ، و (2) لترجمة هذه الاستجابة إلى مخرجات قابلة للقياس (Daunert et al. ، 2000). في حين أن وحدات الاستشعار يمكن أن تستخدم مجموعة واسعة من البنى البيولوجية لتحويل المعلومات البيئية إلى معلومات كيميائية حيوية ، فإنها تعمل عادةً إما كمفاتيح داخل الخلايا أو خارج الخلية.

مجسات داخل الخلايا

تستشعر مفاتيح تبديل البروتين أو الحمض النووي الريبي داخل الخلايا حالة بيئية والأزواج التي تستشعر حدوث تغيير في النسخ الذي ينظم إنتاج المخرجات المراسل. غالبًا ما تستخدم المستشعرات القائمة على البروتين عوامل النسخ ، والتي تطورت لتشعر بمجموعة واسعة من التحليلات (الجدولان 1 & # x020133). باستخدام هذه المستشعرات ، يؤدي الارتباط التحليلي إلى حدوث تحول توافقي في عامل النسخ (الأشكال 6 أ ، ب) الذي يغير تفاعله مع الحمض النووي. يؤدي ارتباط الحمض النووي إلى تغيير التعبير الجيني لاحقًا. يمكن أيضًا تطوير عوامل النسخ أو هندستها لاستشعار المدخلات البيئية الجديدة (Libis et al. ، 2016). بالإضافة إلى عوامل النسخ ، يمكن استخدام المستشعرات القائمة على CRISPR لاكتشاف تسلسلات معينة من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (Gootenberg et al. ، 2017). تم تطوير مثل هذه الأساليب مؤخرًا كأدوات لتشخيص نقاط الرعاية لأنواع الملاريا (Lee et al. ، 2020).

الشكل 6. استشعار الظروف داخل الخلايا وخارجها. (أ) مع المستشعرات داخل الخلايا ، يجب أن يعبر محلل بيئي (أحمر) غشاء الخلية إلى الخلية عن طريق الانتشار أو من خلال ناقل ليتم اكتشافه. يزيد ارتباط المحلل ببروتين مستشعر في العصارة الخلوية من تقارب البروتين والحمض النووي ويؤدي إلى توظيف بوليميريز الحمض النووي الريبي ونسخ المخرجات. (ب) يمكن أن يؤدي الارتباط التحليلي داخل الخلايا أيضًا إلى تعزيز النسخ عن طريق التسبب في تفكك البروتين من الحمض النووي الذي يمنع نسخ المخرجات. (ج) يمكن أن يؤدي الارتباط التحليلي داخل الخلايا إلى المحول الريبي إلى إحداث تغيير توافقي بالقرب من موقع الربط الريبوسومي (RBS) الذي يسمح بربط الريبوسوم وترجمة وحدة الإخراج. (د) ترتبط المستشعرات خارج الخلية بالتحليل باستخدام بروتينات مكشوفة على السطح مثل مستشعر كيناز من TCS. بعد الارتباط التحليلي ، يفسف الكيناز منظم استجابة داخل الخلية ، والذي يرتبط بالحمض النووي ويغير نسخ المخرجات.

يمكن أيضًا تصميم جزيئات الحمض النووي الريبي كأجهزة استشعار داخل الخلايا (الشكل 6 ج). مثل مفاتيح التبديل البروتينية ، تستخدم مفاتيح تبديل الحمض النووي الريبي (تسمى المحولات الريبية) ارتباط التحليلات لدفع التغييرات التوافقية التي تؤثر على التعبير الجيني (Mironov et al. ، 2002 Nahvi et al. ، 2002). تم اكتشاف محولات الريبوس الطبيعية التي تتفاعل مع المستقلبات العضوية والأيونات غير العضوية (Serganov and Nudler ، 2013) ، وتنوعت المحولات الريبية الاصطناعية لاستشعار المواد الكيميائية العضوية المختلفة (Xiu et al. ، 2017) ودرجة الحرارة (Sen et al. ، 2017). من المهم التأكيد على أن هذه المفاتيح تستشعر الظروف البيئية بشكل موحد داخل الخلية، معلومات مفيدة لربط الظروف البيئية بالاستجابات الخلوية. ومع ذلك ، فهم يستشعرون معلومات مختلفة عن الظروف البيئية خارج الخلية.

مجسات خارج الخلية

يمكن تحويل الظروف المحلية خارج الخلية إلى معلومات كيميائية حيوية داخل الخلية من خلال الجزيئات الحيوية المعرضة للسطح. يمثل نظامان مكونان (TCSs) فئة رئيسية من أجهزة الاستشعار خارج الخلية (الشكل 6 د). تتكون TCSs من كيناز مرتبط بالغشاء يستشعر حالة بيئية وينقل هذه المعلومات إلى بروتين منظم الاستجابة داخل الخلايا الذي يعدل التعبير الجيني. مع البكتيريا سالبة الجرام ، يكون كيناز المستشعر داخل الغشاء الداخلي ، لذلك يجب أن تمر التحليلات عبر بروتين مسامي في الغشاء الخارجي قبل الارتباط ، والذي له حد حجم & # x0007E500 amu. لا تملك البكتيريا موجبة الجرام نفس القيد لأن مستشعر كيناز يتعرض مباشرة لسطح الخلية.

يتم توزيع TCSs على نطاق واسع عبر بدائيات النوى وتطورت لتشعر بمجموعة متنوعة من الظروف البيئية (Capra and Laub ، 2012). وبالتالي ، فقد تم إعادة توظيف TCSs على نطاق واسع كمستشعرات حيوية في البيولوجيا التركيبية (الجدولان 1 & # x020133). بالإضافة إلى ذلك ، أسفرت هندسة البروتين عن استراتيجيات بسيطة لربط الاستشعار عن طريق أنظمة TCS المتنوعة بمخرجات موحدة ، مما يسهل عملية اكتشاف TCS وتسريع عملية إعادة استخدام TCS في أجهزة الاستشعار الحيوية (Schmidl et al. ، 2019).

المخرجات: المراسلون المتوافقون مع البيئة آخذون في الظهور

من الناحية المثالية ، يجب أن تسمح المخرجات بإعداد تقارير غير معطلة وفي الوقت الفعلي عن المواد البيئية مثل التربة والرواسب البحرية ومياه الصرف الصحي. بينما يقدم المراسلون المرئيون مثل البروتينات الفلورية (Shaner et al. ، 2005) ، والبروتينات المضيئة (Saito and Nagai ، 2015) ، أو الإنزيمات المنتجة للصبغة (Watstein et al. ، 2015 Verosloff et al. ، 2019) معلومات مكانية عندما توفر الخلايا يتم تصورها من خلال الفحص المجهري (DeAngelis et al. ، 2005 Pini et al. ، 2017) ، فمن الصعب استخدامها في المواد غير الشفافة مثل التربة والرواسب (الشكل 7 أ). حتى في الأنظمة البحرية والبحيرية السائلة ، يمكن أن يؤدي التألق الذاتي العالي من الكائنات الحية الأصلية والكربون العضوي المذاب والمواد الكيميائية الأخرى إلى حجب مخرجات المراسلين المرئيين (Carstea et al. ، 2020). عدم تجانس O2 في العديد من البيئات يمثل أيضًا تحديات لأن مراسلي البروتينات الفلورية الخضراء الشائعة (GFP) تتطلب O2 يتألق (Heim et al. ، 1994). لمواجهة هذه التحديات ، يجب أن تحتوي أجهزة الاستشعار الحيوية البيئية على إشارات خلفية منخفضة ، وشدة إشارة يسهل معايرتها دون انقطاع العينة ، وأنشطة عبر تدرجات O2 المستويات.

الشكل 7. وحدات الإخراج تمكن من إعداد التقارير من المواد البيئية. (أ) يصعب استخدام المخرجات المرئية في المواد البيئية. (اليسار) تتطلب البروتينات الفلورية الأكسجين لتنضج ، مما يحد من استخدامها في ظروف نقص الأكسجين. (وسط) يصعب تصوير البروتينات المنتجة للصبغات في التربة والرواسب. (حق) يمكن أن يكون للإضاءة الحيوية خلفية عالية في العينات البحرية. (ب) وحدة بروتين نواة الجليد (inp) متوافق مع تجارب المصفوفة. بعد إنتاج جهاز الاستشعار الحيوي ، يمكن قياس مستويات INP من المياه المستخرجة من العينة. (ج) يمكن رصد مخرجات غاز المؤشر في حيز الرأس للمواد البيئية باستخدام كروماتوغرافيا الغاز دون حدوث اضطراب في العينة. ميثيل هاليد ترانسفيراز (mht) وإنزيم تشكيل الإيثيلين (efe) وحدات توليف هاليدات الميثيل والإيثيلين ، على التوالي. يُبلغ أحد الغازات (الخضراء) عن نمو الخلايا ، بينما يوفر الغاز الثاني (الأزرق) معلومات عن المادة التحليلية المكتشفة. توفر نسبة هذه الغازات ناتجًا قويًا لأنها تمثل متوسط ​​المادة التحليلية المستشعرة لكل خلية. (د) يتم ترميز مخرجات حويصلة الغاز بواسطة مشغل صوتي ، مما ينتج عنه إشارة موجات فوق صوتية فريدة عند التعبير.

بروتين نواة الجليد (INP)

كان أحد أقدم البدائل للمراسلين المرئيين للدراسات البيئية هو INP (الشكل 7 ب) ، والذي يحفز تكوين الجليد من المياه فائقة التبريد (Lindgren et al. ، 1989). يمكن استرداد مخرجات INP من أجهزة الاستشعار الحيوية المحتضنة في التربة من خلال غسل التربة وتقييم INP في الجزء المائي باستخدام مقايسة تجميد القطيرات (Loper and Lindow، 1994 Jaeger et al.، 1999 DeAngelis et al.، 2005). يمكن استخدام INP للإبلاغ تحت ظروف العينات الهوائية واللاهوائية (DeAngelis et al. ، 2005). ومع ذلك ، يوفر INP المعلومات فقط من خلال قناة واحدة ، مما يجعل من الصعب التمييز إذا ظهرت إشارة من العديد من الخلايا التي تعبر عن كمية صغيرة من INP مقابل عدد قليل من الخلايا التي تنتج كميات كبيرة من INP.

مراسلون الغاز

لا تتطلب مخرجات غاز المؤشر تدمير مصفوفة بيئية لمراقبة إشارة الخرج ، حيث يمكن قياسها في فضاء الرأس للعينات باستخدام مقياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (الشكل 7 ج). حتى الآن ، تمت برمجة الميكروبات لتصنيع مجموعة واسعة من الغازات المتطايرة ، بما في ذلك C2ح4O (Bongers et al.، 2005 Zhu et al.، 2011)، CH3Cl ، CH3Br و CH3أنا (يشار إليها معًا باسم CH3X) (Cheng et al. ، 2016) ، سي2ح4 (Cheng et al.، 2018) و H2S (بانج وآخرون ، 2000). ومع ذلك ، فقط CH3X و C.2ح4 تم استخدامها في التحليل البيولوجي البيئي. CH3تم استخدام X للإبلاغ عن الاقتران في التربة (Cheng et al. ، 2016). بالإضافة إلى ذلك ، CH3X و C.2ح4 تم استخدامها بالتوازي للإبلاغ عن نشاط وحدة الاستشعار (CH الشرطي3X الناتج) وعدد المستشعرات الحيوية الميكروبية (أ التأسيسية C2ح4 الإخراج) أداء الاستشعار (Cheng et al. ، 2018). بحساب نسبة هذه الغازات ، يتحدى معايرة أي جزء من CH3ينشأ X بسبب تجنب نمو جهاز الاستشعار الحيوي. من بين مخرجات الغاز المختلفة للمؤشر ، هناك ثلاثة (C2ح4O ، CH3X و H.2S) في كل من الظروف الهوائية واللاهوائية (Bang et al. ، 2000 Cheng et al. ، 2016 Balagurunathan et al. ، 2018) ، بينما C2ح4 يتطلب O2 للتوليف (Cheng et al. ، 2018).

حويصلات الغاز

تنظم البكتيريا الزرقاء الطفو عن طريق التعبير عن هياكل البروتين التي تمتلئ بالغاز (فايفر ، 2012). تم استخدام هذه الهياكل مؤخرًا لإنشاء نوع جديد من المخرجات يسمى حويصلات الغاز (الشكل 7 د). تم التعبير عن هذه الحويصلات في الميكروبات غير الأصلية واستخدمت كعوامل تباين لنماذج الفقاريات التي يصعب تصويرها (Shapiro et al. ، 2014). عندما يتم وضع الميكروبات التي تعبر عن هذه الحويصلات في مجتمعات داخل أمعاء حيوانية يصعب تصويرها ، يمكن تصورها بطريقة غير جراحية باستخدام الموجات فوق الصوتية أو التصوير بالرنين المغناطيسي (Lu et al.، 2018 Farhadi et al.، 2019). في حين أن هذه المخرجات لم يتم استخدامها بعد في أجهزة الاستشعار الحيوية البيئية ، فمن المتوقع أن تكون مفيدة كعامل تباين في مياه الصرف عند التصوير باستخدام الموجات فوق الصوتية.

وحدات المعالجة: يمكن للأدوات الجديدة تسجيل المعلومات المعقدة

تنتقل البيولوجيا التركيبية بسرعة إلى ما وراء نموذج جهاز الاستشعار الحيوي ذي المدخل الواحد والمخرج الواحد. يتيح الكتالوج المتنامي للأجزاء المتاحة لأجهزة الاستشعار الحيوية الهندسية الآن عمليات منطقية معقدة وقدرة الخلايا على تسجيل تجاربها الخاصة. يقدم هذا القسم البوابات المنطقية التي تستخدم مدخلات وأنظمة ذاكرة متعددة تعمل على توسيع تعقيد وقدرات الاستشعار البيولوجي البيئي. تفتح هذه القدرات فرصًا جديدة لدراسة التباين المكاني والزماني (انظر القسم ب).

العمليات المنطقية

في علم الأحياء التركيبي ، يمكن دمج مدخلات متعددة في ناتج واحد بعد العمليات المنطقية (AND ، OR ، NOT). على سبيل المثال ، تنتج بوابة AND ذات المدخلات الثنائية (الشكل 8 أ) المخرجات فقط في حالة حدوث المدخلات الأولى والثانية في بيئة خلية & # x00027s في وقت واحد (Brophy and Voigt ، 2014). يمكن استخدام العديد من استراتيجيات التصميم لدمج وجود (أو عدم وجود) مدخلات متعددة في ناتج واحد (Shis and Bennett، 2013 Shis et al.، 2014 Kim et al.، 2019 Fulk et al.، 2020). يمكن إنشاء وحدات المعالجة عن طريق إضافة سلسلة من عوامل النسخ بين وحدات الإدخال والإخراج التي تتحد آثارها لإنتاج المنطق المطلوب (Stanton et al. ، 2014). بينما يمكن بناء بوابات منطقية متنوعة بشكل موثوق ، تم تطبيق عدد صغير فقط في السياقات البيئية. أظهرت إحدى الدراسات أن الاستعمار البكتيري لأمعاء الفئران يعتمد على O2، ودرجة الحموضة ، وتركيزات حمض اللاكتيك (Chien et al. ، 2019). يمكن استخدام البوابات المنطقية بالمثل في سياقات بيئية أخرى ، على سبيل المثال للإبلاغ عن مجموعات المدخلات التي تؤدي إلى إنتاج غازات الاحتباس الحراري.

الشكل 8. يمكن أن تزيد وحدات المعالجة من تطور جهاز الاستشعار البيولوجي. (أ) يمكن إنشاء بوابتين من المدخلات باستخدام وحدات ترميز البروتين في أجزاء. يحدث الإخراج فقط عند إنتاج الجزء الأول والثاني. (ب) ذاكرة DNA مرنة باستخدام مفتاح تبديل. في حالة إيقاف التشغيل ، يقوم مانع النسخ A بحظر إنتاج المكثف B وإخراج المراسل. عند استشعار المدخلات البيئية A ، تنقلب الدوائر إلى حالة ON حيث يتم فصل المكثف A مؤقتًا عن المروج Pأ، مما يسمح بإنتاج المكبّر B والإخراج. يمنع الكابتن B إنتاج القامع A ، مما يؤدي إلى استقرار حالة التشغيل هذه. يمكن قلب المفتاح مرة أخرى إلى حالة إيقاف التشغيل عند استشعار المدخلات البيئية B. (ج) ذاكرة DNA ثابتة مبنية باستخدام إعادة التركيب. في حالة إيقاف التشغيل ، لا يتم إجراء إعادة التركيب ، ويكون تسلسل الحمض النووي للمراسل مضادًا للتوازي مع العناصر التنظيمية المطلوبة للتعبير. في الحالة ON ، تحفز المدخلات البيئية إنتاج recombinase ، الذي يربط زوجًا من تسلسلات الحمض النووي التي تحيط بالمراسل ويعكس الحمض النووي بحيث يكون المراسل موازيًا للعناصر التنظيمية. يؤدي هذا التقليب في الحمض النووي إلى إنتاج ناتج. (د) ذاكرة الحمض النووي الثابتة التي تستخدم كريسبر. يقترن استشعار المدخلات بالتعبير عن Cas1 / 2 ، والذي يدمج فواصل الحمض النووي القصيرة في مصفوفة CRISPR بمعدل يتناسب مع تعرض الإدخال.

الذاكرة البيولوجية

يمكن برمجة الخلايا لتسجيل تجاربها السابقة عن طريق تحويل معلومات الاستشعار إلى تغييرات قابلة للتوريث. الذاكرة البيولوجية إما & # x0201Cpermanent & # x0201D (مكتوبة في الحمض النووي للميكروب & # x00027s بطريقة لا يمكن عكسها) أو & # x0201Crewritable & # x0201D (مسجلة بطريقة تتيح إعادة تعيينها). الذاكرة جذابة للاستشعار البيئي البيئي لأنه يمكن قراءتها من كل من الخلايا الحية والميتة باستخدام تسلسل الحمض النووي أو تفاعل البلمرة المتسلسل الكمي (qPCR) (Sheth and Wang ، 2018). نراجع أدناه أول ذاكرة اصطناعية موصوفة (مفتاح التبديل) وثلاثة أنظمة تسجيل جديدة قائمة على الحمض النووي والتي تبشر بالدراسات البيئية.

ذاكرة قابلة لإعادة الكتابة

باستخدام هذه الذاكرة ، يتم استخدام زوج من حالات الإخراج للإشارة إلى أحدث تجربة لخلية. في مثال كلاسيكي يسمى & # x0201Ctoggle switch & # x0201D (الشكل 8 ب) ، يتم تشغيل التحويل البيني بين حالتي OFF (بدون إخراج) و ON (الإخراج) بواسطة جزيء صغير في البيئة. يتم تحديد كل ولاية من خلال الوفرة النسبية لمنظمي النسخ. في حالة إيقاف التشغيل ، يتم تصنيع منظم البروتين الأول ، وهو يثبط تخليق منظم البروتين الثاني. ينقلب المفتاح عندما يربط المنظم الأول مادة كيميائية ولا يمكنه بعد الآن منع إنتاج المنظم الثاني. عند هذه النقطة ، يتراكم المنظم الثاني في الخلية ويمنع تركيب المنظم الأول. يمكن أيضًا تبديل دائرة الذاكرة من ON إلى OFF عن طريق إضافة جزيء ثانٍ من خلال آلية مماثلة (Gardner et al. ، 2000). نظرًا لأن كلا المنظمين النسخيين ينقسمان إلى خلايا ابنة عند انقسام الخلية ، فإن الحالة المستقرة موروثة عبر الأجيال. تم نشر المستشعرات الحيوية التي تحتوي على مفاتيح تبديل في أمعاء الفأر لتسجيل التوقيعات الجزيئية للالتهاب والتعرض للمضادات الحيوية (Kotula et al. ، 2014 Riglar et al. ، 2017). لقد ثبت أن هذه الذاكرة تظل متوقفة بشكل ثابت لمدة تصل إلى 6 أشهر في القناة الهضمية ، مما يشير إلى أن مفاتيح التبديل قد تكون مجدية لتسجيل التجارب في هذا النطاق الزمني (Riglar et al. ، 2017). ومع ذلك ، تُفقد حالات الذاكرة القائمة على البروتين عند الموت الميكروبي أو أثناء السكون ، مما يحد من استخدامها للخلايا الحية.

يمكن أيضًا ترميز الذاكرة القابلة لإعادة الكتابة مع تغير التسلسل في الحمض النووي. يمكن لدارات الذاكرة القائمة على الحمض النووي الإبلاغ عن طريق إنتاج إشارة قابلة للاكتشاف ، مثل مفاتيح التبديل ، أو يمكن قراءة إخراج الذاكرة مباشرة من تسلسل الحمض النووي. يمكن برمجة ذاكرة الحمض النووي باستخدام recombinases ، والإنزيمات التي تربط تسلسلات DNA معينة وتتوسط في إعادة التركيب في تلك المواقع (Ham et al. ، 2006). في معظم دوائر الذاكرة المستندة إلى recombinase (الشكل 8C) ، تحفز الإشارة البيئية تعبير recombinase. The recombinase inverts the segment of DNA that is within the DNA sequences that it binds. The flipped DNA output can be monitored by DNA sequencing, qPCR, or by incorporating a reporter gene that is turned on following the sequence change (Yang et al., 2014). It is possible for DNA recombinases to record both rewritable (Bonnet et al., 2012) and permanent (Yang et al., 2014) memory. In contrast to toggle switch memory, recombinase sequence modifications are inherited across generations and can be read out following cell death (Munck et al., 2020).

Permanent Memory

DNA recombinases that catalyze irreversible sequence inversions are a common mechanism of permanent memory (Yang et al., 2014), which cannot be erased. To date, more than 10 different recombinases have been identified, enabling the simultaneous recording of multiple inputs and the order of exposure to those inputs (Friedland et al., 2009 Roquet et al., 2016). Recombinase-based memory can also be used with logic gates to record combinations of environmental inputs (Siuti et al., 2013 Yang et al., 2014). This type of memory has been used to record the exposure of biosensors to sugar in the mouse gut. In this complex environment, the memory circuit was able to be accurately read for up to 4 days (Mimee et al., 2015). Recombinase memory is advantageous due to its simplicity and low cellular burden. However, it is susceptible to false positives in the absence of environmental inputs (Mimee et al., 2015).

In contrast to recombinase memory, which only modifies DNA at specific sequences, flexible DNA sequence recording enables precise modifications at diverse chromosomal locations. This approach is also capable of writing more information to DNA compared with recombinases. One flexible sequence recording strategy uses CRISPR-associated proteins to incorporate short DNA fragments (spacer sequences) into plasmids (Figure 8D), which functions as “recording tape,” growing in size at a rate proportional to the input signal. Different spacer sequences can be used in parallel to report on multiple environmental inputs (Schmidt et al., 2018). DNA sequencing can be used to read out the numbers and types of inserted spacers, and this information can be used to reconstruct the temporal order of sensed inputs (Sheth et al., 2017). This system has recorded the approximate time, duration, and order of cell exposure to copper, trehalose, and fucose over 6 days as well as HGT in fecal and gut samples (Sheth et al., 2017 Munck et al., 2020). While this memory has recorded information for 10 days in a lab setting (Zou and Ye, 2020), there is a need to determine whether this type of recording can provide information over a similar duration in complex environmental samples. Additionally, limitations of the maximum amount of sensing information that can be recorded and reliably differentiated by sequencing need to be established.

Tuning: Refining Circuits for Robust Performance

To be useful in environmental studies, biosensors must sense and report robustly across complex, dynamic conditions that are less ideal for fast growth as compared to sterile, well-mixed laboratory cultures. Performing well in environmental conditions requires that biosensor inputs are sensitive to the relevant range of environmental conditions and specific enough to only sense the desired condition. Furthermore, biosensors outputs need to report with a high enough signal-to-background (or ربح) to be reliably detected. To achieve these performance characteristics, biosensors may require multiple tuning steps and should be rigorously tested in the intended environmental context, i.e., a soil matrix or water sample, for false positive or false negative sensing.

Tuning Input Specificity

In heterogeneous environments, it is important for biosensors to specifically respond to the signal of interest (De Paepe et al., 2017). Many natural input modules are activated by chemicals with related structures (Figure 9A), which can inhibit desired inputs and create false negatives or produce unintended outputs that are false positives (Meyer et al., 2019). Environmental matrices often contain diverse chemicals with similar structures that have the potential to non-specifically activate biosensors (Dewhurst et al., 2002 Hawkes et al., 2016). For this reason, it is essential to carefully tune and test biosensor input specificity. Input modules that have suboptimal specificity can be improved through random mutagenesis followed by screening the resulting library for module variants with desired properties. This approach has yielded sensors that are specific to individual AHL signals, isomer-specific sugars, and organic acids (Collins et al., 2005, 2006 Tang et al., 2008 Tashiro et al., 2016 Snoek et al., 2020). Sensor modules can also be improved by recombining natural sensors to create chimeric variants. This approach has yielded sensors for plant-microbe signals and nitrogen cycle intermediates (De Paepe et al., 2019 Schmidl et al., 2019).

الشكل 9. Using genetic engineering to tune biosensor performance. (أ) Natural sensor modules often report on both target (أحمر) and non-target (رمادي) analytes. To avoid false positives from the latter, sensors can be engineered to respond to a single input by incorporating mutations. (ب) The sensitivity of a biosensor for a given analyte can also be adjusted by mutating the sensor module to adjust the transfer function (dashed line). (ج) To improve the dynamic range, the biosensor background in the absence of analyte (OFF state) and the maximum signal (ON state) can also be tuned using mutation.

Environmental matrices in soils, sediments, or wastewater contain chemicals that have the potential to non-specifically activate biosensors. While we can begin to assess specificity by screening biosensors against a library of pure compounds, it is important to test new biosensors in environmentally-relevant chemical backgrounds containing microbial communities (Bereza-Malcolm et al., 2015). This can be achieved with control reactions that evaluate environmental backgrounds such as the ensemble of chemicals found in natural dissolved organic matter. Such control experiments are needed to establish and mitigate the impact of environmental effects on biosensor performance (McNerney et al., 2019).

Tuning Input Sensitivity

To be useful, biosensors must report on environmentally-relevant concentrations of the targeted analytes. To achieve this, input modules must be tuned so that they respond to the desired analyte concentrations (Figure 9B). In the environment, the bioavailable concentration of a chemical of interest can be influenced by sorptive processes, abiotic chemical reactions, and biotic transformations (McNerney et al., 2019). Additionally, output modules must be tuned so that they present a low background and a strong signal increase following input exposure (Figure 9C). This tuning is critical to ensure that the biosensor output is detectable over any environmental background, and that the difference in output production between OFF and ON states remains distinct over the relevant environmental time scale. These two goals are not mutually exclusive and are often addressed using similar strategies.

The simplest tuning method changes the number of circuit components synthesized in the cell (Brophy and Voigt, 2014). Frequently this tuning is achieved by increasing or decreasing the amount of sensor proteins synthesized. Depending on the specific needs, this tuning can be achieved by modifying sensor gene transcription, sensor protein translation, or sensor protein degradation (Salis et al., 2009 Huang et al., 2012 Brophy and Voigt, 2014 Cameron and Collins, 2014). When these efforts do not achieve the required performance, additional components like amplifier circuits can help improve the output-to-input ratio (Wan et al., 2019). Sensitivity can be improved by modifying the affinity of the sensor biomolecule for its signal or by altering the efficiency at which the sensor converts the input to into an output. This approach requires engineering the sensing molecule through rational design or directed evolution, similar to the approaches used to tune sensor specificity (Lönneborg et al., 2012 Landry et al., 2018 Meyer et al., 2019 Snoek et al., 2020).


الميكروبات والأمراض

A few harmful microbes, for example less than 1% of bacteria, can invade our body (the host) and make us ill. Microbes cause infectious diseases such as flu and measles.

There is also strong evidence that microbes may contribute to many non&ndashinfectious chronic diseases such as some forms of cancer and coronary heart disease. Different diseases are caused by different types of micro-organisms. تسمى الميكروبات التي تسبب المرض مسببات الأمراض.

Infectious disease Microbe that causes the disease Type of microbe
البرد فيروسات الأنف فايروس
Chickenpox Varicella zoster فايروس
German measles Rubella فايروس
Whooping cough Bordatella pertussis البكتيريا
Bubonic plague يرسينيا بيستيس البكتيريا
TB (Tuberculosis) السل الفطري البكتيريا
Malaria المتصورة المنجلية بروتوزوان
سعفة Trichophyton rubrum Fungus
Athletes&rsquo foot داء المشعرات Fungus

It is important to remember that:

  • أ العوامل الممرضة is a micro-organism that has the potential to cause disease.
  • ان عدوى is the invasion and multiplication of pathogenic microbes in an individual or population.
  • Disease is when the infection causes damage to the individual&rsquos vital functions or systems.
  • عدوى لا always result in disease!

To cause an infection, microbes must enter our bodies. The site at which they enter is known as the portal of entry.

Microbes can enter the body through the four sites listed below:

  • Respiratory tract (mouth and nose) e.g. influenza virus which causes the flu.
  • Gastrointestinal tract (mouth oral cavity) e.g. ضمة الكوليرا which causes cholera.
  • Urogenital tract e.g. الإشريكية القولونية which causes cystitis.
  • Breaks in the skin surface e.g. كلوستريديوم الكزازية which causes tetanus.

To make us ill microbes have to:

  • reach their target site in the body
  • attach to the target site they are trying to infect so that they are not dislodged
  • multiply rapidly
  • obtain their nutrients from the host
  • avoid and survive attack by the host&rsquos immune system.

الجهاز المناعي

يمكن اعتبار العدوى معركة بين مسببات الأمراض الغازية والمضيف. كيف يعمل جهاز المناعة؟

Routes of transmission

اكتشف كيف يمكنك التقاط الجراثيم ونقلها للآخرين.

Vaccination

مجرد طلقة في الذراع - ماذا تفعل اللقاحات؟

مضادات حيوية

Antibiotics are powerful medicines that only fight bacterial infections.

الميكروبات والطعام

غذاء للفكر - الخبز والشوكولاتة واللبن والجبن الأزرق والتوفو كلها مصنوعة باستخدام الميكروبات.

الميكروبات والهواء الطلق

تتمثل وظيفة الميكروبات كمعالجات كيميائية صغيرة في الحفاظ على دورات حياة الكوكب.


Hallmarks of health

Functional core

While large interpersonal differences are observed in the taxonomic composition of the microbiome at all sites, the abundance of metabolic pathways is considerably more consistent across people for a given site [7, 9, 26, 27]. Further, while the composition of the microbiome changes drastically over the first years of life, this functional profile is established early on and remains stable thereafter, at least in the gut [72]. This suggests that one definition of a “core” healthy microbiome might include specific microbial gene family combinations, metabolic modules, and regulatory pathways that together promote a stable host-associated ecology [96, 97]. This core includes functions from at least three groups: first, and most simply, the housekeeping functions necessary for all microbial life, such as transcription and translation, energy production, and structural components [6, 7, 9]. Second, this core includes processes that are specific to human-associated microbiomes across body-site habitats, such as adhesion to host cell surfaces and the production of compounds implicated in host–microbe interaction (including essential vitamins, such as vitamin K, and immunostimulatory compounds) [6, 7]. Finally, different body habitats each have their own specialized core functions [98]. For example, in the gut, core functions include glycosaminoglycan biodegradation, the production of several short-chain fatty acids, enrichment for specific lipopolysaccharides, and the production of vitamins and essential amino acids [6, 9, 98, 99] (Fig. 1b). Which of these functions tend to be enriched in a given population can be affected by long-term selective pressures such as diet [67]. A necessary condition for a healthy microbiome is therefore the presence of an assemblage of microbial species that can carry out specific sets of biomolecular functions in each of the niche-specific biochemical environments across the body.

Healthy community ecology

If microbial communities assemble on the basis of their coverage of a core set of functions while selecting from a large meta-population of potential colonizers, they are likely to be ecologically diverse [100–102], both in terms of richness (number of taxa present) and evenness (abundance of many microbial constituents). High diversity has been generally associated with health [11] and temporal stability [103]. The latter could, for example, be the result of the increased functional redundancy that comes with a more diverse set of microbes, even if the functional potential of the assembly is minimally achievable with fewer taxa. Conversely, a relative lack of diversity is apparent in the gut microbiome in diseases ranging from obesity [26] to inflammatory bowel disease [104] and types 1 [72] and 2 [28] diabetes and in the skin microbiome in atopic dermatitis [105] and psoriasis [106]. Antibiotics also cause a drastic reduction in the diversity of the microbiome with highly variable recovery dynamics [107], potentially weakening the community’s ability to exclude pathogens. This may clear the way for infection by pathobionts—normal microbial community members that become detrimental under perturbation, such as المبيضات البيض [57]. The principle that high diversity is “healthy” does not hold for all body sites, however, as diversity in the vaginal microbiome can be associated with bacterial vaginosis [108], cervical intraepithelial neoplasia [109] (an abnormal growth on the cervix), pre-term birth [36], and inflammation [110].

Given the typical observation of increased microbiome diversity in health, it has been hypothesized [111] that developed countries’ consistently reduced gut microbial diversities may account for higher chronic disease rates relative to those seen in developing countries and primitive societies [66, 112, 113], termed the “disappearing microbiome hypothesis” [111]. This loss of diversity may be linked to a high-fat, high-refined-sugar, and low-fiber diet [114]. Humanized mice on such a diet exhibit a depletion in microbial diversity [114] and though this is recoverable by returning to a high-fiber diet within a generation, it becomes fixed after four generations [114]. If this result generalizes to human populations, it increases the urgency of developing rationally targeted microbiome maintenance or therapeutic methods, so as to steer less health-promoting microbiomes towards more natural assemblages. The disappearing microbiome hypothesis in some ways represents an evolution of the “hygiene” or “old friends” hypotheses [115], all of which suggest that while modern North American or European cohorts may represent “healthy” microbiomes, their relationship to what is evolutionarily “normal” may be more complex.

Resistance, resilience, and stability

Other hallmarks of health from the microbial ecology perspective are the ability to resist perturbation (which might result from the entry of a pathogen, alteration of diet, or medication) and to return to a healthy state afterwards. These properties have been termed resistance and resilience, respectively [2]. For example, after an antibiotic treatment, healthy gut communities generally recover to their previous state after a few weeks to months [116]. A recent definition of microbial health thus explicitly comprises not a single static state but rather a dynamic equilibrium [2]. In this view, a healthy microbiome corresponds to an attractor of an underlying dynamic system (Fig. 1d), in a similar manner to cell fate in a metazoan [117]. Attractors capture both resistance and resilience, in that the system will resist a departure from an attractor, and unless a fluctuation (which might be due to external perturbation or internal stochasticity) is sufficiently large, it will tend to return to the steady state area [117]. The most visible examples in the human microbiome may be transitions between community state types in the healthy vagina although their specific health implications are not yet enumerated, not all community state types have the same degree of stability [36]. The gut microbiome is also in flux, gaining and losing species over time, with different taxa having different stabilities and with some consistently remaining in the gut for many years [8]. The mechanisms by which specific taxa persist are not yet well-delineated, but it is interesting to speculate whether such mechanisms might relate to the driving principles behind the assembly of the microbiome. If specific communities do assemble primarily to fill a suite of habitat-suited functional niches [6], then species that provide key metabolic, signaling, immunomodulatory, or other roles in a particular assembly may be more temporally stable than those in the functional periphery. Coupling dynamics with the taxonomic diversity and immense molecular functional potential of the microbiome is thus a reminder of the human microbiome’s complexity and, as a result, the difficulty of defining even the apparently simple concept of microbial health.


Current Status Of Research

Contemporary Research in Evolution and Diversity Features Several Exciting Growing Points

A particularly promising field spanning the synthesis of molecular biology and evolutionary biology is expected to reveal new evolutionary principles even as it resolves some longstanding issues. Important as this new synthesis is, it must be emphasized that not everything in evolution and diversity can be reduced to molecular biology.

Many central issues of evolution at the organismic level require different kinds of approaches. These include the study of the evolution of complex multifactorial traits within populations and the evolutionary role of selection among populations. Innovative approaches to uniting physiology, behavior, and development should also be encouraged.

Those who set research priorities in evolution and diversity must also recognize the continuing importance of cataloguing the diversity of life on earth and understanding its origins through speciation and its disappearance through extinction. Apart from the scientific value of such research are the many potential practical applications of the findings in medicine, agriculture, and biotechnology. Groups of organisms that are already relatively well known, such as vertebrates, plants, and butterflies, are important to study because of the light further information about them would shed on overall biogeographic problems. In addition, economically important groups of organisms, such as legumes and mosquitoes, should be emphasized in choosing priorities for study. Areas of vegetation that are already decimated and those that are being destroyed rapidly but that contain large numbers of endemic species should also receive special emphasis. Concerted efforts to survey more or less completely the biota of selected places, especially in the disappearing forests of the tropics, would be much more rewarding than miscellaneous sampling of poorly known groups over wide areas. Greater attention should also be given to groups that are especially tractable for the solution of basic problems in ecology, population biology, and evolution. To accomplish this, additional systematic biologists must be trained and employed, since the current world supply is much too limited to attack the millions of species of unknown or poorly known organisms profitably.

Paleobiology also presents significant new opportunities for breakthroughs in understanding the history of life on earth, including its earliest history in the Precambrian, its diversification and geographical distribution, and its extinction through, in some cases, global processes.

Collections and Special Facilities

Museums Are One Logical Place to Concentrate the Effort to Encompass Diversity

These institutions are already the repositories of vast numbers of priceless specimens, often representing species that are endangered or recently extinct. Yet most of the collections are fallow, and the halls of some of the leading research museums are largely empty of qualified researchers. The same is true of zoos and botanical gardens, which are in effect museums filled with living specimens. One of the premier tropical botanical gardens in the continental United States has purchased no major items of research equipment in 20 years. Although it averages only one postdoctoral fellow per year, it could easily accommodate six.

An additional need exists for regional or international centers for the storage and analysis of fossil pollen and other microfossils, which are vital in the reconstruction of evolutionary histories and past environmental change. For example, we are only now becoming aware of the considerable extinction of species that has been caused by human disturbances, especially on islands, lakes, and other geographically restricted habitats. One of the most promising domains of research is the detailed analysis of this impoverishment during the past several thousand years, with an emphasis on the factors that make certain species more vulnerable than others.

The future of systematics and its contribution to evolutionary studies depend on collaboration among workers in different fields, funding of interdisciplinary studies, and mutual education. Museums, the traditional home of systematics, will find it necessary to expand their facilities and personnel to encompass statistical, molecular, and experimental approaches. The traditionally modest sums granted to systematists will not support molecular investigations, and it will be useful to set up facilities for molecular systematics that can be used by multiple workers. Above all, university biology departments, in their staffing and curricular decisions, must take into account the growing impact of the new systematics on the study of evolution and its implications throughout biology, from molecular biology to ecology.

Museums are also vital to the continued health of research on the fossil record by maintaining and developing systematic collections. These Collections are the lifeblood of research progress. Research questions change continually, and it is important that museum collections remain an effective source of empirical data and that the data be actively studied and described by competent specialists.

The paleontological collections of the United States are in reasonably good shape, thanks to many years of financial support from the Biological Research Resources program of the National Science Foundation. Continued support is critical to sustain active research programs of relevance to broader problems of evolutionary biology. Museum collections are becoming especially critical in some areas because of the phasing out of support for collections by many major research universities.

Collection and Conservation of Germplasm Is Crucial For Improved Agricultural Production

Human activities associated with modern civilizations are causing a loss of diversity at all levels of biological organization. Once lost, this store of genetic diversity can never be recovered. A case in point is the loss of genetic diversity associated with the primitive land races (plants that are adapted to a region in which they evolved) and wild relatives of our crop plants. These genetic resources have repeatedly provided genes for disease resistance when agriculture has been challenged by serious disease epidemics, and these resources constitute an important source of novel phenotypes in conventional plant improvement. They must be found and conserved for our common good.

Modem agriculture is characterized by extensive plantings of genetically uniform monocultures. For example, genetically uniform hybrid corn is widely grown in the United States. Genetically uniform populations have the advantages of high yields, uniform size, and uniform dates of maturity, and these features have played a major role in the great increase in productivity of agriculture in the United States during the past 50 years. Uniformity of size and maturity are also required by highly mechanized agricultural practices.

On the downside, genetically uniform crops are vulnerable to large losses from pest or disease outbreaks because monocultures may lack the genetic variability for resistance to the pathogens. In 1970, a fungal pathogen raced through the U.S. corn crop in the corn leaf-blight epidemic. It was quickly discovered that susceptibility to the fungal pathogen was associated with a particular mitochondrial genotype that had been widely incorporated into breeding stocks. Luckily, other mitochondrial genotypes conferred resistance, and the resistant genotypes were introduced into commercial lines of corn. By 1971 corn varieties resistant to the leaf blight had largely replaced the susceptible type in agricultural production, and the corn crop was protected. The resistant types were available because an international effort had been made to conserve plant genetic resources for just such contingencies.

A second major disadvantage associated with the wide, and in some cases nearly global, adoption of monocultures is that these plantings supplant and drive to extinction the wild relatives and primitive cultivated forms of crop plants, which provide a source of genetic variants for future breeding efforts. Genetic conservation is faced with two problems—how to save and maintain useful plant germplasm and how to evaluate plant gene pools in order to preserve as wide a sample of potentially useful genetic variants as possible. The problem of evaluation is particularly difficult because we have no way of predicting which kinds of novel genetic variants the future may require. At present, the best that can be done is to evaluate the plants of interest for a wide range of genetic traits and select a sample for conservation that includes as much diversity as possible. Little is known about the adequacy and scope of contemporary germplasm collections. Genetic screening procedures and statistical sampling plans need to be developed for this task.

Finally, what little effort is expended to protect plants is almost entirely devoted to crop plants and their wild relatives�out 150 species out of the more than 260,000 kinds of plants known. Botanists estimate that tens of thousands of kinds of plants could probably be developed into useful crops-not only for food but also as sources of medicines, oils, waxes, and other chemicals of industrial importance-if we would carry out the appropriate investigations, identify them, and develop them according to their cultural requirements. Virtually no effort is being expended in such investigations yet fully a quarter of all plant species, along with a similar proportion of animals and microorganisms, are in danger of extinction. Even if the techniques of genetic engineering are fully applied to the development of new kinds of crops, there will need to be a source of appropriate genes the plants that we are passively allowing to become extinct could well provide such genes, and we should find and conserve them while they still exist.


Pathogenic microorganisms

The members of the normal microbiota can cause diseases under certain circumstances. Since they have a non-invasive way of life defined by limitations of the medium, unless they are held they can become pathogenic. Population levels of microorganisms are determined by the exogenous and endogenous multifactorial processes ( Griffiths 2001 Griffiths BS, Ritz K, Wheatley R, Kuan HL, Boag B, Christensen S. et al. An examination of the biodiversity-ecosystem function relationship in arable soil microbial communities. التربة بيول Biochem. 2011 33: 1713-1722. ).The bacteria of the intestinal tract have heterogeneous distribution. The colonization of the intestinal tract depends on the ability of bacterial adhesion. There are bacteria on the adhesion sites on the intestinal mucosa, which need not to be periodically reintroduced. However, there is the native biota that is external to the gut ecosystem, thus is transient. The microbiota has the following functions: antibacterial, immunomodulatory and metabolic. Antibacterial prevents the establishment of pathogenic bacteria. Immunomodulatory activity helps the immune system and metabolic function contributes to facilitate the nutrition ( Brandt et al. 2006 Brandt KG, Sampaio MMSC, Miuki CJ. Importância da microbiota intestinal. Pediatria. 2006 28(2): 117-127. ). It is important to highlight the impact that pathogenic bacteria can cause in the public health issue, resulting serious intestinal diseases such as diarrhea - considered as the most common disease caused by viruses and bacteria and one of the diseases that affects large no of children in the world. Hence, it is important to know the bacteria that may possibly compromise the gut and the human organism as a whole ( Clotildes 2007 Clotildes MNM, Taddei JAAC, Diniz-Santos DR, May DS, Carneiro, NB, Silva LR. Incidence of diarrhea: poor parental recall ability brazilian journal of infectious diseases. Braz J Infect Dis. 2007 11(6): 130-142. ). The use of antibiotics in the rats can increase intestinal microbiota associating to some changes that affect the acquisition of energy from compounds in the diet and how it is spent and stored ( Ley et al. 2005 Ley RE, Backhed F, Turnbaugh P, Lozupone CA, Knight RD, Gordon JI. Obesity alters gut microbial ecology. بروك ناتل أكاد علوم. 2005 102(31): 1-7. ).السالمونيلا is represented by more than 40 serogroups and 2000 serotypes and may be classified as typhoid and non-typhoid. This genre is usually associated with food. Salmonella enteritidis ( Fig. 2B) is one of the serotypes most widely distributed in the world and one of the major contaminants in food, usually beef, pork, poultry and eggs. This bacterium usually causes fever, abdominal cramps and diarrhea, which can present blood clots. A study by the Center for Epidemiological Surveillance - SES / SP showed that from 1999 to 2007, S. enteritidis was responsible for 42.3% of outbreaks of diarrhea, showing the attention in public health that this bacterium should be given ( Kirk et al. 2004 Kirk MD, Little CL, Lem M, Fyfe M, Genobile D, Tan A. et al. An outbreak due to peanuts in their shell caused by Salmonella enterica serotypes Stanley and Newport-sharing molecular information to solve international outbreaks. Epidemiol Infect. 2004 132(4): 571-577. Unicomb et al. 2005 Unicomb LE, Simmons G, Merritt T, Gregory J, Nicol C, Jelfs P et al. Sesame seed products contaminated with Salmonella: three outbreaks associated with tahini. Epidemiol Infect. 2005 133(6): 1065-1072. DOI:10.1017/S0950268805004085.
https://doi.org/10.1017/S095026880500408. Paiao et al. 2013 Paião FG, Arisitides LGA, Murates LS, Vilas-Bôas GT, Vilas-Boas LA, Shimokomaki M. Detection of Salmonella spp, Salmonella enteritidis and Typhimurium in naturally infected broiler chickens by a multiplex PCR-based assay. Braz J Microbiol. 2013 (1): 37-42. ).

الإشريكية القولونية (EPEC) ( Fig. 2C) causes gastroenteritis in almost all age groups. انه ايضا مشابه شيغيلا sp ( Fig. 2D) because it penetrates directly into the intestinal epithelium where it can multiply, causing dysentery. It can be transmitted by the consumption of water and many foods such as milk and milk products. The importance of EPEC as a cause of diarrhea has declined since the 1960s, but is the primary infectious agent in children in developing countries, including South America, Africa and Asia. EPEC outbreaks are sporadic, emerging in places where sanitary conditions are poor ( Silva et al. 2001 Silva ZN, Cunha AS, Lins MC, Carneiro LAM, Almeida ACF, Queiroz MLP. Isolation and serological identification of enteropathogenic Escherichia coli in pasteurized milk in Brazil. Rev Saúde Pública. 2001 (4): 375-379. Maltick et al. 2010 Maltick L, Rolon AS, Stenert C. Aquatic macrophytes in natural and managed wetlands of Rio Grande do Sul State, Southern Brazil. Acta Limnol Bras. 2010 2: 133-146. ). Other bacteria that are not involved directly with the human gut, but are cause of worry in the matter of public health, are related to urogenital infections, such as Proteus vulgaris( Fig 2A), which inhabits the human gut, but causes urinary tract infections and other complications ( Rodrigues and Barroso 2011 Rodrigues FJ, Barroso AP. Etiologia e sensibilidade bacteriana em infecções do trato urinário. Ver Port Sau Pub. 2011 2: 123-131. ).

Having a prebiotic diet can help treating the intestine infections, such as those caused by the bacteria of the genus Salmonella because these prebiotic molecules serve as substrate for the growth of bacteria, which has the potential to eradicate other pathogenic bacteria such as Lactobacillus ( Kumar et al. 2012 Kumar A, Henderson A, Forster GM, Goodyear AW,Weir TL, Leach JE. وآخرون. Dietary rice bran promotes resistence to Salmonella enterica serover Typhimurium colonization in mice. BMC ميكروبيول. 2012 12: 1-7. DOI:10.1186/1471-2180-12-71
https://doi.org/10.1186/1471-2180-12-71. ).

Microbial diseases of the large intestine are second only to the respiratory system diseases. Pathogens are able to cross the digestive system and extend to organs, causing numerous diseases, e.g., gastroenteritis caused by السالمونيلا and rotavirus. بكتيريا سيريوس العصويه is common in the soils and vegetables. Rice has vast abundance of this bacterium. It is generally harmless, but when found in the foods, can cause illnesses such as gastroenteritis. The rice, for being a plant that is cultivated in water, has the risk of receiving numerous microorganisms. Water is characterized by low nutrients. Therefore, bacteria tend to grow on standing surfaces in particular materials, as is the case with rice ( Pomeroy 1974a Pomeroy LR. The ocean's food web a changinging paradigm. العلوم البيولوجية. 1974a 24: 499-504. Pomeroy et al. 2007b Pomeroy LR, Willians PJI, Azam E, Hobbie JE. The microbial loop. Oceanography. 2007b 20: 28-33. Andreoti et al. 2009 Andreoti FD, Azevedo JL, Araújo WL. Assessing the diversity of bacterial communities associated with plants. Braz J Microbiol. 2009 40: 417-432. DOI: 10.1590/S1517-83822009000300001
https://doi.org/10.1590/S1517-8382200900. ). Therefore, paddy fields are important for local biodiversity conservation because they support a rich biodiversity and high productivity feature. Rice is one of the most important cereal crops in the world. Therefore, the conservation of biodiversity in agriculture is a challenge of great importance. Several studies have demonstrated the contribution of ecosystems such as rice, providing habitats for creation of numerous microorganisms ( Hofman et al. 2003 Hofman J, Bezchlebová J, Dušek L, Doležal L, Holoubek I, Ansorgová A. et al. Novel approach to monitoring of the soil biological quality. Environ Int. 2003 28(8):771-778. DOI: 10.1016/S0160-4120(02)00068-5.
https://doi.org/10.1016/S0160-4120(02)00. Maltick et al. 2010 Maltick L, Rolon AS, Stenert C. Aquatic macrophytes in natural and managed wetlands of Rio Grande do Sul State, Southern Brazil. Acta Limnol Bras. 2010 2: 133-146. ).

The microorganisms in the biosphere perform important functions, for example, the influence on biogeochemical processes. In aquatic environments, there is an important chain of interactions that affect the elements involved in the environment ( Comte et al. 2006 Comte J, Jacquet S, Viboud S, Fontvieille D, Millery A, Paolini G. et al. Microbial community structure and dinamics in the largest natural French lake (Lake Bourget). ميكروب ايكول. 2006 52: 72-89. DOI:10.1007/s00248-004-0230-4.
https://doi.org/10.1007/s00248-004-0230-. ). It is noteworthy that quality evaluations in health should always aim at the welfare of the patient, which is always the focus of the studies. Therefore, monitoring allows detecting the faults and correcting them in order to not compromise the product and the consumer ( Abrantes et al. 2007 Abrantes PM, Magalhães SMS, Acúrcio FA, Sakurai E. Quality assessment of antibiotic prescriptions dispensed at public health units in Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil, 2002. Cad Saúde Pública. 2007 23(1): 95-104. DOI: 10.1590/S0102-311X2007000100011
https://doi.org/10.1590/S0102-311X200700. ).

It is possible to relate the bacteria of rice with their intake and activity within the human body. Microorganisms can generate many by-products through fermentation, which may even have commercial value and are easily produced. The cost/price margin is small because they can be easily replaced by cheap products and chemicals however, they are naturally formed in the body.

The development of non-dairy probiotic products is a major challenge in the food industry because many are lost during the processing and storage of the product. Cereals such as rice have been widely studied and can be used as fermentable substrates that favor the growth of probiotic microorganisms ( Pomeroy et al. 2007b Pomeroy LR, Willians PJI, Azam E, Hobbie JE. The microbial loop. Oceanography. 2007b 20: 28-33. Oliveira and Jurkiewicz 2009 Oliveira LB, Jurkiewicz CH. Influência de inulina e goma acácia na viabilidade de bactérias probióticas em leite fermentado simbiótico. Braz J Food Technol. 2009 12(2): 138-144. DOI: 10.4260/BJFT20095808.
https://doi.org/10.4260/BJFT20095808. ). Microorganisms have a high degree of specificity, acting separately in chemical reactions. Therefore, with the development of biotechnology, it could be possible to manufacture the food and perform transformations that can affect people's lives.


شاهد الفيديو: اليوم العالمي للبيئة التلوثالتنوع البيولوجي (أغسطس 2022).