Diversitatea procariotelor

Două procariote pot arăta asemănător la microscop și totuși să aparțină unor ramuri diferite ale vieții. Bacteria și Archaea sunt ambele organisme cu celule fără nucleu delimitat, dar diferă prin unele componente ale membranei și ale peretelui celular. Nu le deosebești sigur doar după mărime sau după locul în care le-ai găsit.

Printre bacterii sunt specii care ajută la transformarea substanțelor din sol, specii folosite în prepararea unor alimente, precum Streptococcus thermophilus din culturile pentru iaurt, și specii care pot provoca boli. Escherichia coli trăiește și în intestinul multor oameni, dar unele tulpini sunt patogene. În intestinul omului trăiesc comunități de microorganisme; împreună cu mediul lor, ele fac parte din microbiom. Asta nu înseamnă că orice microb din corp este folositor sau că orice bacterie trebuie eliminată. Efectul depinde de specie, de loc și de starea organismului.

Procariotele trăiesc adesea în comunități. Un biofilm este o comunitate de microbi prinsă într-o matrice produsă de ei, de obicei pe o suprafață. Poate apărea pe pietre din apă sau pe suprafețe artificiale. Biofilmul nu este o specie nouă, ci un mod de viață în comun. Când compari procariote, urmărește forma, modul de nutriție, mediul și interacțiunile cu alte organisme. Nu presupune că toate Archaea sunt „bacterii care suportă căldura”: formează un domeniu separat și sunt întâlnite și în medii obișnuite.

Bacteria și Archaea comparate. Domeniul unei procariote se stabilește după compoziția peretelui, a membranei și după secvențele ARN-ului ribozomal, nu după formă sau habitat.

Specii reprezentative. Streptococcus thermophilus și Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus fermentează lactoza din lapte la iaurt. Streptomyces griseus produce streptomicina. Escherichia coli trăiește în intestinul gros și contribuie la sinteza vitaminei K, dar tulpina O157:H7 produce toxine și provoacă diaree hemoragică. Vibrio cholerae produce holera, Salmonella typhi febra tifoidă, Clostridium tetani tetanosul, Mycobacterium tuberculosis tuberculoza. Dintre arhee, Halobacterium salinarum cere cel puțin 3 mol/L NaCl, în timp ce apa mării are circa 0,6 mol/L ($35\text{g/L}:58,44\text{g/mol}\approx 0,6\text{mol/L}$).

Diversitatea metabolică se vede la organisme cu aceeași formă, dar cu moduri de obținere a energiei foarte diferite. Cianobacteria Nostoc fotosintetizează și degajă oxigen. Nitrosomonas își obține energia din oxidarea amoniacului. Arheea Methanobacterium folosește hidrogenul pentru a reduce dioxidul de carbon: $C{O}_2+4H_2\to C{H}_4+2H_{2}O$, proces posibil numai fără oxigen. E. coli este heterotrofă și poate trăi atât cu oxigen, cât și fără. De aceea, a doua întrebare, după „bacterie sau arhee?”, este „de unde își ia celula energia și carbonul?”.

Biofilmul se formează în etape:

1. celulele libere se leagă reversibil de o suprafață, cu ajutorul flagelilor și al pililor;
2. atașarea devine ireversibilă, iar celulele se divid;
3. celulele produc o matrice de polizaharide, proteine și ADN;
4. biofilmul se maturizează și capătă canale prin care circulă apa și nutrienții;
5. unele celule se desprind și colonizează alte suprafețe.

Exemple: placa dentară (Streptococcus mutans), cateterele urinare, pietrele din râuri. Celulele din biofilm tolerează antibioticele și dezinfectanții mult mai bine decât celulele libere, deoarece matricea limitează pătrunderea lor.

Microbiomul intestinal cuprinde circa $10^{13}$ celule bacteriene, număr de același ordin de mărime cu al celulelor umane din corp. Ele fermentează fibrele nedigerate în acizi grași cu lanț scurt, sintetizează vitamina K, ocupă locurile unde s-ar fixa patogenii și stimulează maturarea sistemului imunitar. Un tratament cu antibiotice poate reduce această comunitate; atunci se poate înmulți Clostridioides difficile, care produce colita pseudomembranoasă.

Exemplu rezolvat 1. Un litru de lapte conține circa 48 g lactoză. Care este cantitatea de acid lactic dacă 20% din lactoză este fermentată complet de bacteriile din iaurt?

1. Reacția globală: $C_{12}{H}_{22}{O}_{11}+H_{2}O\to 4C_3{H}_6{O}_3$.
2. Lactoza fermentată: $48\cdot 0,20=9,6$ g, adică $9,6/342\approx 0,028$ mol.
3. Acid lactic format: $4\cdot 0,028=0,112$ mol, iar cu $M=90$ g/mol rezultă $0,112\cdot 90\approx 10,1$ g.

Aciditatea coboară pH-ul laptelui de la circa 6,7 la circa 4,5, valoare la care proteina cazeină coagulează; de aceea iaurtul se întărește. Cele două specii se favorizează reciproc (protocooperare).

Exemplu rezolvat 2. O cultură de procariote nu este distrusă de penicilină. Este ea o arhee?

1. Penicilina blochează legarea lanțurilor de mureină din perete, deci acționează asupra bacteriilor în creștere.
2. Arheele nu au mureină, așa că sunt insensibile la penicilină.
3. Insensibilitatea apare însă și la bacterii: Mycoplasma nu are perete, iar unele specii produc penicilinază, o enzimă codificată adesea de plasmide.
4. Concluzie: rezistența la penicilină nu stabilește domeniul. Se determină compoziția peretelui, lipidele membranei și secvența ARN-ului ribozomal.

Greșeli frecvente

• Greșit: Archaea sunt doar un tip de bacterii.
  Corect: Sunt un domeniu separat de Bacteria.
• Greșit: Biofilmul este numele unei bacterii.
  Corect: Este o comunitate de microorganisme asociate pe o suprafață.
• Greșit: O procariotă care trăiește la 80 °C este neapărat arhee.
  Corect: Există și bacterii termofile, de exemplu Thermus aquaticus; domeniul se stabilește după perete, lipide și ARN ribozomal, nu după temperatura mediului.
• Greșit: Microbiomul intestinal înseamnă bacteriile care provoacă boli.
  Corect: Majoritatea sunt comensale sau utile; bolile apar mai ales când comunitatea se dezechilibrează, de exemplu după antibiotice.

Înainte și după