Systém a biodiverzita

Teprve v posledních letech si lidé začínají uvědomovat nepostradatelnost bakterií ve všech ekosystémech od vnitřku našich střev po oceánské ekosystémy. Díky environmentálnímu vzorkování lidé získávají představu o počtu bakteriálních druhů v různých biotopech.

Bakteriální systematika je komplikovaná disciplína. Její největší problém tkví v obtížné definici bakteriálního druhu. V některých učebnicích se můžete dočíst, že druhem jsou organizmy, které se mezi sebou mohou plodně křížit. Vzhledem k tomu, že se bakterie rozmnožují nepohlavně, nejde na ně tato definice aplikovat. 

Při určování bakteriálních druhů je bráno v úvahu velké množství hledisek od morfologických znaků po genetické. Porovnávání sekvencí molekul DNA není v tomto případě samospásné. Obzvlášť v souvislosti s běžným horizontálním genovým přenosem. Z těchto důvodů se za jeden druh často považují bakterie s pouhou 70% shodou v genomu. Pakliže bychom toto hledisko aplikovali na zvířata, všichni savci skončí jako jediný druh!

I přes to je DNA nesmírně významnou molekulou, podle níž se dá odhadnout celková diverzita bakterií v nějakém prostředí. Environmentální vzorkování a metagenomika nám ukazují, že zatím známe pouze malé procento prokaryotního světa. Díky těmto metodám jsou popisovány nové tzv. kandidátní druhy, u kterých známe genom, ale nemáme nejmenší tušení, jak vypadají a jak žijí. 

V následujícím textu se nebudeme pouštět do žádných hlubokých úvah nad definicí bakteriálního druhu a bakterie rozdělíme pouze do dvou základních skupin (G+ a G-). 

Je dobré si uvědomit, že bakterií je na zeměkouli naprosto nepředstavitelné množství a odhaduje se, že lidé neznají ani jedno procento druhů. Následující pasáž vznikla výběrem některých zajímavých bakterií, nicméně mnohem větší počet jich čeká na své vlastní objevení a nepochybně mezi nimi budou i další pozoruhodné organizmy. V následující části také nenajdete nejznámější patogenní bakterie. Ty budou zmíněny na konci učebnice v oddíle „Lidské choroby“. 

Gram-pozitivní bakterie

Bacillus thuringiensis

Tato bakterie stála u zrodu prvních komerčně pěstovaných genově manipulovaných rostlin. Jednalo se o tzv. Bt kukuřici. B.thuringiensis produkuje kristalinové proteiny, které v trávicím traktu hmyzu fungují jako jed. Geny pro tyto proteiny se podařilo přenést do genomu kukuřice, která se tím pádem nemusí stříkat insekticidy (pesticidy hubící hmyz). V současné době se převážně na americké pevnině pěstuje více druhů rostlin obsahující Bt geny.

Mycoplasma mycoides

Jedna z nejmenších bakterií, které jsou známy. Její velikost činí 0,1 mikrometru, a aby toho nebylo málo, postrádá buněčnou stěnu. Zato cytoplazmatická membrána je trojvrstevná. Tvar buněk je kulatý. Mykoplazmata způsobují respirační choroby u přežvýkavců.

Tato bakterie má také nejmenší známý genom. Je sestaven z přibližně jednoho milionu párů bází a obsahuje 901 genů (člověk má tři miliardy párů bází a genů přibližně 23 000). Tento genom pečlivě studoval americký vědec Craig Venter a rozhodl se, že vypěstuje bakterii s minimálním genomem. To znamená bakterii s minimálním počtem genů, která je schopná života. Po několika letech vyšla v roce 2010 z laboratoře bakterie označená JCVI-syn3.0 jejíž chromozom obsahuje 531 560 párů bází kódujících 473 genů. Je náramně zajímavé, že u 146 genů nemají vědci nejmenší tušení, k čemu je buňka používá.

Listeria monocytogenes

Tato listérie je patogenní bakterie fungující jako vnitrobuněčný parazit. Na tom není nic až tak zajímavého. Zajímavý je především pohyb uvnitř hostitelské buňky. Bakterie využívá polymerace bílkoviny aktinu (běžná cytoskeletální bílkovina) hostitelské buňky. Aktin polymeruje na jednom konci bakterie a ta se pohybuje jako raketa uvnitř buňky. Dříve či později získá takovou rychlost, že jí to doslova prostřelí membránami sousedních buněk a tímto způsobem infikuje listérie další buňky hostitelského organizmu.

Gram-negativní bakterie

Escherichia coli

E. coli je nepochybně nejznámější a také nejprostudovanější bakterií. Je to náš běžný obyvatel střevního mikrobiomu. Vzhledem k dostupnosti a snadné kultivovatelnosti se z E. coli stal modelový organizmus. Na této bakterii se lidé učili základy genového inženýrství a posléze byla mnohokrát využita v biotechnologiích. 

Významná biotechnologická firma Eli Lilly vypěstovala klony, do kterých přenesla např. geny pro lidský inzulín, růstový hormon, interferony atd. Dá se s trochou nadsázky říci, že tato bakterie již zachránila milióny lidských životů.

Vibrio fischeri a quorum sensing

Na pobřeží Havaje žijí sépie nesoucí jméno sepiola kropenatá (Euprymna scolopes). Tyto sépie jsou draví noční tvorové. Nicméně nejsou moc velké, a proto jsou zároveň loveny. Za měsíčných nocí vrhá jejich tělo na dno stín, podle kterého by je predátor mohl odhalit. Aby k tomu nedošlo, hostí sépie Vibrio fischeri, které dokáží světélkovat. Pakliže je bakterie sama, prakticky nesvětélkuje. Teprve je-li bakterií dostatečný počet, rozsvítí se každá bakterie naplno a společně tak vymažou stín pod sépií. Zajímavá je otázka, jak se bakterie dozvědí, že je jich již dostatečný počet. Tomu správnému množství se říká quorum sensing. Tento jev je důkladně studován, protože ho používají i některé patogenní bakterie. Jedná se tedy o studium bakteriální komunikace.

Magnetospirillum

Pakliže hádáte, že má tato bakterie něco společného s magnetizmem, hádáte správně. Uvnitř bakterie najdeme speciální „organely“ pojmenované magnetozomy (obsahují krystaly magnetitu). Díky magnetozomům se mohou bakterie orientovat v magnetickém poli Země. Druhou zajímavou vlastností je přítomnost bílkovinných vláken připomínající aktinová filamenta.

Bdellovibrio bacteriovorus

Příběh bdellovibria začíná v šedesátých letech dvacátého století, kdy vyšel článek popisující prvního známého prokaryotního predátora. Tato bakterie napadá jiné Gram-pozitivní bakterie. Je schopná se penetrovat do hostitelské buňky a tam se namnožit. Hostitelská buňka tento proces nepřežije. Bdellovibrio bacteriovorus je velmi malá bakterie (mezi 0,5 – 1,5µm), ale na svou velikost dokáže vyvinout pomocí svého bičíku neuvěřitelnou rychlost 160µm.s-1 (je to podobné, jako by se člověk pohyboval 200m.s-1 – to je 720km.hod-1).

Moranella endobia

V roce 2001 vyšel v prestižním vědeckém časopisu Nature článek o do té doby nevídaném jevu. V červci citroníkovém byly objeveny bakterie Tremblaya. Symbiotické bakterie uvnitř buněk trávicího traktu červce. Symbiotické bakterie uvnitř eukaryotních buněk nejsou ničím výjimečným. Nicméně překvapení na vědce čekalo uvnitř tremblayí. Uvnitř těchto bakterií byly objeveny další symbiotické bakterie pojmenované Moranella endobia. Zajímavá je otázka, jak se tyto bakterie dostaly do své hostitelské bakterie, která ze své podstaty nemůže fagocytovat. Můžeme si představovat, že nějak takto mohla vzniknout první eukaryotní buňka.

Rhizobium

Na tomto rodu bakterií se dá oddemonstrovat síla mutualizmu. Pro růst rostlin je dusík nepostradatelný prvek. Nicméně existují místa, kde je dusíku využitelného rostlinami nesmírně málo a vzhledem k tomu, že rostliny nedokáží využívat atmosférický dusík, neměly by na takovýchto místech růst. Opak je pravdou. Například bobovité rostliny dokáží tato místa osídlit, ale potřebují k sobě někoho, kdo by jim dokázal dusík zajistit. Jedná se právě o bakterie rodu Rhizobium, kterým se také obecně říká hlízkové bakterie. Na kořenech těchto rostlin najdeme malé nádory – hlízky. Buňky tvořící tyto hlízky hostí v sobě samých hlízkové bakterie, které dokáží vzdušný dusík přeměnit na nějakou organickou formu například NH4. Nicméně bakterie by tuto přeměnu bez hostitelské buňky nedokázala. Enzym zajišťující vázání dusíku, nitrogenáza, funguje pouze v anaerobních podmínkách a ty jdou nehluboko v půdě zajistit obtížně. Bobovité rostliny dokáží v hlízkách anaerobní prostředí zajistit. Mimo jiné proto se vyvíjejí hlízky.

Sinice (Cyanobakteria)

Mezi gramnegativní bakterie patří také již dříve zmíněné sinice. Vzhledem k tomu, že jsme jako chemoheterotrofní organizmy závislí na kyslíku, mají pro nás sinice velké kouzlo. Sinice se stejně jako rostliny vyznačují fotosyntézou oxygenního typu. To znamená, že fixují uhlík z CO2 a jako odpadní látku vypouštějí do okolního prostředí O2, který dýcháme. Vypadá to, že se sinice na Zemi objevily již před 3,5 miliardami let. Mají za sebou dlouhý evoluční vývoj, který se moc nepodepsal do jejich morfologie. Dnes vypadají stejně jako jejich fosilní příbuzní. Ve sladkovodních nádržích může dojít k jejich přemnožení. Tomuto jevu říkáme vodní květ. Bohužel sinice vodního květu produkují různé látky, které u lidí mohou způsobovat alergie, či zánět spojivek. Velmi významným evolučním procesem je primární endosymbióza, kdy přibližně před 1,5 miliardou let eukaryotická buňka pohltila sinici za vzniku rostlinné buňky.

Thiomargarita magnifica

Bakterie jsou tradičně vnímány jako maličké mikroskopické buňky. Nicméně i mezi bakteriemi se dají nalézt skuteční obři, kteří svojí velikostí předčí i nejednoho živočicha. Bakteriální rekord v tuto chvíli drží Thiomargarita magnifica, nalezená v mangrových porostech na pobřeží Guadeloupe. Na zahnívajících listech byly nalezeny až dva cm dlouhé nitkovité útvary, připomínající spíše háďátka než bakterie.  Thiomargarita patří mezi Gama-proteobakterie a velikost není jedinou výjimečnou vlastností tohoto organizmu. Její chromozom se v buňce nalézá v několika stovkách tisíců kopií obalených membránou!!! Rozmnožování této bakterie je také zvláštní. Od jednoho konce nitkovité buňky jsou oddělovány nové malé buňky, posléze dorůstající patřičné velikosti. Nejlepší na tomto objevu je, že se dá předpokládat, že jsme nenalezli největší bakterii, takže ta největší bakterie na nás ještě pořád čeká. 

Vždy se předpokládalo, že bakterie nemohou dosahovat velkých velikostí z důvodu nevhodného poměru povrchu k objemu. Thiomargarita tento důležitý bod obchází. Cytoplazma činí pouze 20 % objemu (zbytek buňky vyplňuje „vakuola“), takže poměr povrch/cytoplazmatický objem se dostane do příznivých čísel.