Mobilom bakterii ekstremofilnych i jego rola w adaptacji do środowisk ekstremalnych Łukasz Dziewit

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Mobilom bakterii ekstremofilnych i jego rola w adaptacji do środowisk ekstremalnych Łukasz Dziewit"

Marian Nowicki
7 lat temu
Przeglądów:

1 Mobilom bakterii ekstremofilnych i jego rola w adaptacji do środowisk ekstremalnych Łukasz Dziewit Zakład Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski

zjawisku transpozycji mogą kodować cechy fenotypowe wirusy bakteryjne mogą występować w formie autonomicznej lub

2 Ruchome elementy genetyczne bakterii Plazmidy Elementy transpozycyjne Bakteriofagi Kasety genowe integronów replikony autonomiczne mogą kodować cechy fenotypowe są obecne w genomach 40% bakterii zwykle kodują transpozazę są mobilne dzięki zjawisku transpozycji mogą kodować cechy fenotypowe wirusy bakteryjne mogą występować w formie autonomicznej lub zintegrowanej z chromosomem lub plazmidem zwykle niosą pozbawione promotora geny, które po wbudowaniu do integronów, ulegają ekspresji

3 Ruchome elementy genetyczne bakterii

4 Ruchome elementy genetyczne bakterii zasiedlających środowiska zanieczyszczone

5 Bakterie z kopalni miedzi Lubin CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISKA: obecność polimetalicznych rud bogatych w miedź i srebro wysoka zawartość metali ciężkich (np. Zn, Pb, Co, As, Ni) obecność toksycznych związków organicznych (np. piren, fenantren, fluoren) niska zawartość łatwo przyswajalnych źródeł węgla głębokość około 600 m

6 Analizy fizjologiczne bakterii z kopalni Lubin Bakterie z kopalni Lubin to szczepy wielooporne (oporność na minimum 4 jony metali) i hipertolerancyjne (tolerują bardzo wysokie stężenia metali) w odniesieniu do jonów metali ciężkich. Dziewit et al., Front. Microbiol. (2015)

7 Plazmidy gwarantujące oporność na jony metali ciężkich Achromobacter sp. LM16 Paracoccus yeei LM20 Dziewit et al., Front. Microbiol. (2015) mechanizmy oporności na jony metali ciężkich

8 Analiza funkcjonalna modułów genetycznych gwarantujących oporność na jony metali ciężkich Wprowadzenie modułu opornościowego spowodowało wzrost tolerancji na jony metali w przypadku 31% szczepów, a spadek w przypadku 13% szczepów. Wprowadzenie modułu opornościowego nie zawsze jest korzystne dla bakterii. Dziewit et al., Front. Microbiol. (2015)

9 Plazmid kataboliczny z Paracoccus yeei LM20 rozkład kwasu wanilinowego Dziewit et al., Front. Microbiol. (2015) rozkład histydyny

Bakterie ze zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most Żelazny Most największy w Europie zbiornik odpadów poflotacyjnych (powierzchnia całkowita 1394 ha, objętość całkowita 340 mln m 3 )

10 Bakterie ze zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most Żelazny Most największy w Europie zbiornik odpadów poflotacyjnych (powierzchnia całkowita 1394 ha, objętość całkowita 340 mln m 3 ) CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISKA: wysoka zawartość metali ciężkich (np. Zn, Pb, Co, As, Ni) obecność toksycznych związków organicznych (np. piren, fenantren, fluoren) wysokie zasolenie Wyizolowane bakterie należały do rodzajów Pseudomonas i Halomonas.

11 Plazmid gwarantujący oporność na jony metali ciężkich z Halomonas sp. ZM3 Replikon pzm3h1 jest plazmidem z grupy niezgodności IncU zdolnym do replikacji w bakteriach z rodzaju Pseudomonas i Halomonas. Dziewit et al., BMC Microbiology (2013)

12 Bakterie z rodzaju Paracoccus

13 Sekwencje insercyjne Paracoccus spp. rodzina IS (grupa) zidentyfikowane sekwencje insercyjne zidentyfikowano i scharakteryzowano 37 nieopisanych wcześniej sekwencji insercyjnych Dziewit et al., PLoS ONE (2012)

14 Sekwencja insercyjna z rodziny IS21 kaseta selekcyjna (ci-teta) - region podlegający delecji REP1 - system replikacyjny funkcjonalny w Paracoccus spp. REP2 - system replikacyjny funkcjonalny w E. coli Sekwencja insercyjna ISPve1 generuje delecje przyległych regionów DNA. Dziewit et al., PLoS ONE (2012)

15 Transpozony Paracoccus spp. Paracoccus aminophilus Paracoccus pantotrophus oporność na streptomycynę Paracoccus ferrooxidans beztlenowy rozkład argininy oporność na daunorubicynę i doksorubicynę Dziewit et al., PLoS ONE (2012)

16 Paracoccus aminophilus JCM 7686 P. aminophilus to metylotroficzna bakteria wyizolowana z gleby (w Japonii) zanieczyszczonej toksycznym N,N-dimetyloformamidem (DMF) oraz aminami. arabinoza N,N-dimetyloformamid dimetyloamina trimetyloamina P. aminophilus rozkłada różne związki typu C1: metanol, mono-, di- i trimetyloaminę, N,N-dimetylformamid oraz formamid. formamid metanol metyloamina czas [godziny] P. aminophilus może wykorzystywać związki typu C1 jako źródło węgla i energii. czas [godziny]

17 Genom P. aminophilus JCM 7686 CHROMOSOM CHROMIDY PLAZMIDY - elementy transpozycyjne - regiony profagowe Dziewit et al., BMC Genomics (2014)

18 Chromidy P. aminophilus JCM cfu/ml x szczep dziki szczep bez pami1 szczep bez pami4 szczep bez pami6 szczep bez pami Czas [godziny] Chromid pierwszorzędowy pami5 koduje szlak biosyntezy de novo NAD +. Chromid drugorzędowy pami6 niesie transporter amoniaku AmtB. Dziewit et al., BMC Genomics (2014) asparaginian iminoasparaginian kwas chinolinowy mononukleotyd kwasu nikotynowego (NaMN)

19 Metylotrofia a pozachromosomowe replikony P. aminophilus JCM 7686 Dziewit et al., Front. Microbiol. (2015)

20 Ruchome elementy genetyczne bakterii psychrofilnych

Bakterie psychrofilne z Arktyki i Antarktyki ARKTYKA ANTARKTYKA CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISKA: ekstremalnie niskie temperatury (Arktyka: średnia roczna temperatura to -4,4 ᵒC; Antarktyka: średnia roczna

21 Bakterie psychrofilne z Arktyki i Antarktyki ARKTYKA ANTARKTYKA CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISKA: ekstremalnie niskie temperatury (Arktyka: średnia roczna temperatura to -4,4 ᵒC; Antarktyka: średnia roczna temperatura to 2 ᵒC) pokrywa lodowa, śnieg silne wiatry Arktyka (gleba ornitogeniczna z kolonii lęgowej alczyków): badane bakterie należały do rodzaju Psychrobacter. Antarktyka (lód z lodowca Ekologii): badane bakterie należały do rodzaju Pseudomonas.

22 Plazmidy Psychrobacter spp. z Arktyki Plazmid pp60p2 niesie gen ahpc kodujący reduktazę wodoronadtlenków alkilowych (redukcja i detoksykacja H 2 O 2 oraz organicznych nadtlenków, działanie antyoksydacyjne). Dziewit et al., Extremophiles (2013)

23 Plazmidy Psychrobacter spp. z Arktyki Psychrobacter sp. DAB_AL32B Metabolizm betainy, karnityny i choliny (osmoprotekcja i krioptrotekcja) Synteza fimbrii typu 3 (tworzenie biofilmu)

24 Plazmidy Psychrobacter spp. z Arktyki Psychrobacter sp. DAB_AL62B Rozkład dodecylosiarczanu Lasek et al., Extremophiles (2012)

25 Plazmidy Variovorax spp. z Arktyki Zidentyfikowano najmniejszy plazmid wolnożyjącej bakterii phw69v1 (746 pz). Ciok et al., FEMS MIcrobiol. Ecol. (2016)

26 Plazmidy Arthrobacter spp. z Antarktyki W plazmidach bakterii z rodzaju Arthrobacter zidentyfikowano liczne moduły fenotypowe, m.in.: (i) moduły genetyczne UmuCD, zapewniające ochronę przed promieniowaniem UV; (ii) gen kodujący laminarynazę, enzym rozkładający laminarynę i licheninę (materiały zapasowe porostów); (iii) geny związane z metabolizmem siarki.

27 Plazmidy bakterii z Antarktyki sieć podobieństwa sekwencji nukleotydowych Większość podobieństw zaobserwowano pomiędzy plazmidami (węzły sieci) pochodzącymi z bakterii należących do tego samego rodzaju, jednak znaleziono również przykłady międzyrodzajowego transferu plazmidów, pomiędzy: Planococcus spp. i Psychrobacter spp. oraz Flavobacterium spp. i Polaromonas spp.

28 Plazmidy bakterii z Antarktyki sieć podobieństwa sekwencji aminokwasowych Przeanalizowano 7060 białek kodowanych w obrębie 162 plazmidów. Stwierdzono możliwość wymiany genów pomiędzy różnymi replikonami bakterii antarktycznych.

29 Wirusy antarktycznych bakterii z rodzaju Pseudomonas spp. układy helper-satelita Dziewit & Radlinska., PLoS ONE (2016) W Pseudomonas sp. ANT_H14 zidentyfikowano dwa bakteriofagi, ФAH14a i ФAH14b, które tworzą układ helper-satelita, gdzie jeden fag pasożytuje na drugim.

30 Podsumowanie Zidentyfikowano ponad 300 nieopisanych wcześniej ruchomych elementów genetycznych bakterii ekstremofilnych, w tym: miniaturowe (mniejsze niż 800 pz) plazmidy z arktycznych bakterii Variovorax spp., które są najmniejszymi spośród znanych, autonomicznych replikonów bakterii wolnożyjących; unikatowe układy wirusowe helper-satelita w antarktycznej bakterii Pseudomonas, w których jeden wirus pasożytuje na drugim, wykorzystując go do infekowania nowych gospodarzy bakteryjnych; chromidy bakterii z rodzaju Paracoccus, które są ogniwem łączącym plazmidy oraz chromosomy bakteryjne i są niezbędne do przeżycia gospodarza w środowisku naturalnym. Wykazano, że ruchome elementy genetyczne bakterii ekstremofilnych zapewniają/wpływają na: ochronę przed zimnem ochronę przed promieniowaniem UV metabolizm komórki degradację związków toksycznych (np. rozkład naftalenu) oporność na jony metali oraz antybiotyki ruchliwość komórek bakteryjnych (produkcja rzęsek, produkcja pęcherzyków gazowych) ochronę przed obcym DNA (systemy restrykcji i modyfikacji, CRISPR)

31 Grupy badawcze Grupa prof. Dariusza Bartosika Grupa Łukasza Drewniaka i Łukasza Dziewita Martyna Ciężkowska Anna Ciok Przemysław Decewicz Klaudia Dębiec Adrian Górecki Tomasz Krucoń Pola Łomża Krzysztof Poszytek Katarzyna Piątkowska Krzysztof Romaniuk Olga Stepkowska Witold Uhrynowski

32 Podziękowania Uniwersytet Warszawski Zakład Genetyki Bakterii: Anna Ciok Przemysław Decewicz Adrian Górecki Krzysztof Romaniuk Dr Jadwiga Baj Dr Jakub Czarnecki Dr Magdalena Szuplewska Prof. dr hab. Mirosława Włodarczyk Prof. dr hab. Dariusz Bartosik Zakład Wirusologii: Dr Monika Radlińska Pracownia Analizy Skażeń Środowiska: Dr Łukasz Drewniak Dr hab. Renata Matlakowska Bielefeld University (Niemcy): Daniel Wibberg Dr Andreas Schluter Prof. Alfred Puhler Polska Akademia Nauk Zakład Biologii Antarktyki: Jakub Grzesiak Dr Magdalena Żmuda-Baranowska Dr hab. Marek Zdanowski Pracownia Sekwencjonowania DNA i Syntezy Oligonukleotydów IBB PAN: Jan Gawor Specjalne podziękowania dla moich magistrantów i licencjatów (obecnych i byłych): Marcin Adamczuk, Karol Budzik, Oliwia Buraczewska, Anna Ciok, Marek Cywiński, Zuzanna Czarkowska, Przemysław Decewicz, Paweł Jankowski, Martyna Jonak, Marcin Kostecki, Tomasz Krucoń, Paweł Niesiobędzki, Adam Pyzik, Krzysztof Romaniuk, Antoni Szych, Witold Uhrynowski. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Podobne dokumenty

Instytut Mikrobiologii Wydział Biologii UW http://zgb.biol.uw.edu.pl/ kierownik: prof. dr hab. Dariusz Bartosik Pracownicy: 1) prof. dr hab. E. Katarzyna Jagusztyn-Krynicka 3) dr hab. Łukasz Dziewit 5)