ACADEMIA ROMÂNĂ
  Institutul de Biologie București     


 

 “Realizări și Perspective în Biologie” ediția 2009

Complexitatea biologică sub aspect macro, micro, nano

 

Miercuri, 8 iulie 2009

 

8:30 – 9:00 – Înregistrarea participanților

9:00 – 9:15 – Deschiderea oficială    

9:15 – 10:15  

 Prof. dr. Dumitru Murariu – m.c. al Academiei Române

 Epopeea biodiversității        

10:15 – 11:00  

Prof. dr. Călina Petruța Cornea USAMV București

Mecanisme moleculare și celulare ale interacțiunilor dintre microorganisme și plante

11:00 – 11:15 - Pauză de cafea

11:15 – 12:00  

Dr. Anca Păunescu - Institutul de Biologie

Originea și evoluția complexității genomului

12:00 – 12:45  

Dr. Monica Mitoi – Institutul de Biologie

Arhitectura plantei, rezultat al unui puzzle de procese morfogenetice la diferite niveluri de organizare

12:45 – 13:45 - Pauză de masă

13:45 – 14:30  

Dr. Aurelia Brezeanu - Institutul de Biologie

Traheogeneza in vitro, sistem model pentru studiul proceselor de citodiferentiere si a morții celulare programate la plante

14:30 – 15:15

Dr. Sorin Stefănuț - Institutul de Biologie  

Haploidia și diploidia la plante

15:15 – 16:00

Dr. Simona Mihăilescu – Institutul de Biologie

Rețeaua Natura 2000 – modelul european pentru conservarea diversității biologice

 

Joi, 9 iulie 2009

 

9:00 - 9:45

Dr. Liliana Oromulu - Institutul de Biologie  

Complexitatea biologică a rolului și locului tisanopterelor în funcție de etajarea vegetației

9:45 – 10:30   

Dr. Sanda Maican - Institutul de Biologie

Complexitatea interrelatiilor dintre plante si insecte fitofage

10:30 – 10:50 - Pauză de cafea

10:50 – 11:40

Prof. Dr. Veronica Lazăr – Univ. București, Facultatea de Biologie

Complexitatea biofilmelor microbiene la nivel macro, micro, nano

11:40 – 12:25

Dr. Victor Zinevici Dr. Laura Parpală – Institutul de Biologie

Relațiile trofice ale comunităților planctonice în ecosisteme de tip lacustru

12:25 – 13:15  

Dr. Nicolae Mirancea, Dr. Dorina Mirancea – Institutul de Biologie

Anticorpi conjugați cu nanoparticule de aur coloidal cu utilizare în detectarea unor molecule de interes în biologie și medicină

13:15 – 14:00 - Pauză de masă

14:00 – 14:45  

Dr. Doina Ionică, Mirela Moldoveanu – Institutul de Biologie

Bucla microbiană - model de eficientizare al fluxului de materie și energie în ecosisteme acvatice

14:45 – 15:30  

Dr. Anca Voicu - Institutul de Biologie

Structuri microbiene extraparietale cu implicatii practice

15:30 – 16:15

Dr. Mugur Ștefănescu - Institutul de Biologie

Aportul microorganismelor în procese de remediere

 

Vineri, 10 iulie 2009

9:00 – 9:45 

Dr. Mădălin Enache - Institutul de Biologie

Aspecte ale complexității biologice din lacurile sărate

 9:45 – 10:30

Prof. dr. Ioan Ardelean - Institutul de Biologie

Diversitatea stărilor  fiziologice ale procariotelor marine : complexitatea unor  structuri și procese  la nivel nano (10-9), micro (10-6 ) și mega (10 6)

10:30 – 10:45  - Pauză de cafea

10:45 – 11:30

Prof. dr. Ioana Gomoiu, Daniela Mogîldea - Institutul de Biologie

Complexitatea structurală a peretelui celular la fungi

11:30 – 12:15

Dr. Gabriela Popescu, Dr. Lucia Dumitru - Institutul de Biologie

Structuri cristaline de suprafață din învelișul celular al procariotelor (Bacteria și Archaea) cu impact în nanobiotehnologii

12:15 – 13:00   

Dr. Cristina Purcărea Institutul de Biologie

Carbamoil fosfat sintetaza in microorganisme hipertermofile: filogenie si termoadaptare

13:00 – 13:30 - Pauză de masă

13:30 – 14:00

Dr. Doina Codreanu-Balcescu – Institutul de Biologie

Microsporidiile – un microunivers in explorare continua

14:00 – 14:45

Dr. Carmen Cișmașiu - Institutul de Biologie                           

Complexitatea microbiotei acidofile din efluenți industriali cu concentrații crescute de ioni metalici

14:45 – 15:00 - Inchiderea lucrărilor; înmânarea diplomelor

 

Top

EPOPEEA BIODIVERSITĂȚII

Dumitru Murariu

Muzeul Național de Istorie Naturală „Grigore Antipa”

            Aributul vieții – biodiversitatea – este un concept modern, utilizat pentru prima dată în 1986, la Foruml Național de Biodiversitate – Washingtom. Utilizarea oficială a termenuli a fost în 1988, prin publicarea cărții “Biodiversity”, reluată în 1992 la Rio de Janeiro, pentru definirea variabilității viețuitoarelor din toate tipurile de ecosisteme.

            Epopeea biodiversității face trimitere la avatarurile acesteia, presărată cu “episoade” atmosferice, geologice, paleoclimatice și paleoecologice de criză și de înflorire a diferitelor grupe de viețuitoare, începând cu aproximativ 3,8 miliarde de ani, prin evoluția lor de-a lungul erelor geologice, până la ceea ce înțelegm astăzi prin biodiversitate. În afară de trecerea în revistă a concepțiilor și teoriilor asupra originei vieții pe Pământ, pentru deslușirea evoluției biodiversității ne folosim de datele paleontologiei, sistematicii, biogeografiei, (paleo)ecologiei, microbiologiei, botanicei și zoologiei. O asemenea abordare poate permite ca pe fondul cunoștințelor de bază din biologie să se elaboreze noi teme pentru viitoarele cercetări biologice, să se dezvolte noi concepte și principii ale domeniului.

            Dintre numeroasele teorii si ipoteze asupra originei vieții pe Pământ nu lipsesc nici cele desprinse din domeniul geneticii (ex., teoriile ribotipului și progenotului), după care se disting fie etapele precelulară, protocelulară și celulară, fie structura ipotetică (progenotul) în care informația ereditară era determinată de acizii ribonucleici.

            Dacă acceptăm ca fiind plauzibile scenariile apariției primelor structuri vitale (sisteme individuale instabile) pe Pământ, episoadele ulterioare (captarea energiei si metabolismul, reproducerea) au fost momente “eroice” în evoluția acelor complexe de macromolecule spre coacervate sau microsfere, dar și în evoluția eubacteriilor și arhebacteriilor, dacă pentru aproximativ 300.000 ani (între 3,8 și 3,5 miliarde) lipsesc dovezile paleontologiei - fosilele. Abia rocile fosilifere vechi de 3,5 miliarde de ani conțin o biotă de bacterii remarcabil de bogată. În următorul miliard de ani (3,5 – 2,5) au existat numai procariote: cianobacterii, bacterii gram-negative și gram-pozitive, bacterii purpurii, arhebacterii – toate lipsite de reproducere sexuată, dar cu transfer lateral de gene, ceea ce a determinat ca diferite subdiviziuni să conțină seturi de gene ale altor subdiviziuni și în acest fel s-a estimat ca fiind exclusă noțiunea de specie biologică. Taxonomiștii văd totuși arhebacteriile, diferite de celelalte procariote prin structura peretelui celular și prin structura ribozomilor. Cavalier Smith (1998) a clasificat arhebacteriile drept una din cele patru mari subdiviziuni ale bacteriilor.

            Acceptând că primele eucariote au apărut dintr-o simbioză a unei arhebacterii cu o eubacterie, găsim pe de o parte explicația de ce în eucariote există combinații ale caracteristicilor celor doi simbionți, iar pe de altă parte înțelegem fenomenul dobândirii genomurilor suplimentare (la eucariotele primitive), prin transferul unilateral de gene (Margulis și col., 2000).

            Putem afirma așadar că cel mai dramatic, dar și cel mai important eveniment din întreaga istorie a vieții pe Pământ a fost apariția eucariotelor prin structurarea celulelor nucleate, dobândirea reproducerii sexuate prin meioză, după un milliard de ani de viață exclusiv bacteriană. Eucariotele primitive sau protistele au avut la rândul lor de dobândit organitele celulare: mitocondrii – din subdiviziunea α a bacteriilor purpurii și cloroplalstele (în cazul plantelor) din cianobacterii. Pe de altă parte, protistele sunt și astăzi lipsite de organite celulare, pentru că în decursul evoluției le-au pierdut. Mai întâi a fost o spectaculoasă diversificare a pprotisteloir, cu aproximativ 2,5 miliarde de ani în urmă. Margulis și col. (1998) au recunoscut între ele 36 filumuri: amoebe, microsporidii, mucegaiurile mucilaginoase, dinoflagelatele, ciliatele, sprozoarele, criptomonadele, flagelatele, xantofitele, diatomeele, algele brune (unele chiar pluricelulare), oomicete, algele roșii, algele verzi, radiolarii etc., între ele descriind trei noi filumuri (Deinococci, Pirellulae, Thermotogae), pe care alți autori le socotesc doar la nivel de clase.

            Din agregarea formelor unicelulare (după unii ar fi agregat și bacteriile) au rezultat specii pluricelulare, cu apogeul dezvoltării lor în cele trei mari regnuri: metafite, fungi și metazoare. Încă din Precambrian (aprox. 635 - 542 mil. ani în urmă) a existat o explozie a biodiversității, pe când după imensa glaciațiune marinoeană a urmat un puternic efect de seră, creșterea O2 în ocean și disponibilitate de nutrienți, rezultați din tectonica plăcilor continentale. Cambrianul (542 mil. ani) a fost o perioadă unică sub aspectul diversificării lumii animale, rămânând un episod deosebit de important în epopeea biodiversității.

În Cambrian, lumea marină s-a îmbogățit cu noi forme de viețuitoare, care au stat la originea faunei actuale: 13% specii de spongieri; 8% specii de viermi priapulizi, apoi brachiopode, moluște, chordate – strămoși ai vertebratelor. Identificarea între ele a unor prădători, demonstrează existența încă de pe atunci a unor relații trofice complexe; morfologia lor indică o mare capacitate motrice și senzorială. În acea diversificare a biodiversității, prăzile au evoluat sub presiunea prădătorilor, iar prădători au evoluat în funcție de resursele de hrană disponibile; această strânsă interacțiune a favorizat așa-numita explozie cambriană a biodiversității.

            Neexistând nicio fosilă a strămoșului animalelor cu simterie bilaterală s-a făcut trimiterea la platelmintul Convolutriloba longifissura, de formă ovală și culoare vie, care trăia în apele marine, puțin adânci, cu fund nisipos. El era acelomat, cu anatomie simplă (fără cap, fără gură, deschiderea sistemului digestiv neavând o poziție fixă, iar sistemul nervos era difuz), dar cu cili pe epidermă, pentru deplasarea în apă; astăzi este reprezentat prin aprox. 100 de specii. După alți cercetători însă, strămoșul bilateralelor trebuia să fie mai complex organizat decât acelomatele. De aceea, încă nu este sigur dacă bilateralele au rezultat dintr-un platelmint sau dintr-un anelid – și acela lipsit de sistem nervos condensate, de tub digestiv complet, dar cu dschidere bucală și anală distincte.

Prin analizarea și compararea genelor ansamblului de animale actuale, filogenia moleculară ne conduce spre simplul raționament, după care, cu cât structurile genetice a două specii sunt mai apropiate, cu atât speciile respective trebuie să fie mai strâns înrudite. Astfel, la baza arborelui filogenetic stau spongierii (fără adevărate țesuturi și fără plan de simetrie a corpului), urmați de cnidari, lipsiți de organe, dar cu țesuturi distincte (diploblastice) și simetrie radială. Bilateralele (triploblasticele) cuprind protostomieni (cu blastoporul gastrular devenit deschidere bucală) și deuterostomieni (incluzând vertebratele) la care, blastoporul devine orificiul anal  .   

Intrând în epoca Phanerozoică (între Cambrian – Holocen) este de reținut extincția în masă și afectarea biodiversității de la sfârșitul Permianului și altă extincție de la sfîrșitul Cretacicului. Peștii gnatostomi au apărut din Ordovician (450 mil. ani). Sarcopterigienii – din Silurian (410 mil. ani). Mușchii de pământ și amfibienii datează din Devonian (370 mil. ani). Reptilele din carbonifer (310 mil. ani). Angiospermele, păsările și mamiferele – din Triasicul superior (225 mil. ani).

Până în prezent sunt descrise 320.000 specii de plante, 300.000 - alge și 500.000 specii de fungi. Protozoarele figurează cu 100.000 specii, iar regnul animal – cu 5.570.000 specii, între care 4 milioane sunt numai insectele. Totalul de aproape 7 milioane de specii din lumea vie actuală, pare a fi doar 1/3 din câte specii se estimează că există pe glob.  

Pe de o parte, sistematicienii încă au imens de inventariat ca specii necunoscute, iar pe de altă parte - după crizele depășite glorios de-a lungul erelor geologice, astăzi biodiversitatea este supusă unei noi crize, accelerată de efectele activităților omului, acesta fiind ca un virus pentru întregul organism planetar. Profilaxia sau tratarea din timp a “bolii” planetei va oferi o perspectivă îndelungată de evoluție a biodiversității, cu întâmplări epopeice.

BIBLIOGRAFIE (selectivă) 

CAVALIER-SMITH T., 1998 – A revised six-kingdom system of life. Biological Review, 73: 203 – 266.

DARWIN CH., 1859 – On the Origin of Species by means of Natural Selection or the Preservation of favoured races in the struggle for life. London, Ed. John Murray: 1 –  484.

KLINGLER C., J.-O. BARUCH, 2009 – L’explosion de la vie animale. La Recherche No. 428: 32 – 47.

MARGULIS L., M.F. DOLAN, R. GUERRERO, 2000 – The chimeric eukaryote: origin of the nucleus from the karyomastigont in amitochondriate protists. Proceedings of the National Academy of Sciences 97: 6954 – 6959.

MARGULIS L., K.V.SCHWARTZ, 1998 – Five Kingdoms. An Illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth. 3-rd ed.,W.H. Freeman Custom Publishing, New York: 1 - 100.

MAYR E., 2008 – De la bacterii la om. Evoluția lumii vii. Ed. Humanitas, București: 1 – 342.

WILSON E.O., 1988 – Biodiversity. Ed. Frances M. Peter, Associate Editor National Academy Press – Washington, D.C.: 1 – 538.

Top

Mecanisme moleculare si celulare ale interactiunilor dintre microorganisme si plante

Prof.dr. Calina Petruta Cornea

Facultatea de Biotehnologii București

 Bolile plantelor produse de fungi și bacterii patogene determină pierderi însemnate de recoltă în cazul plantelor de interes agricol sau horticol. Aceste pierderi se traduc atât prin reducerea resurselor alimentare cât și printr-o calitate scăzută a acestora. De-a lungul timpului, pentru combaterea diverselor boli ale plantelor au fost elaborate o serie de metode chimice de control, metode care nu întotdeauna s-au dovedit eficiente, costurile au fost ridicate iar impactul asupra mediului ambiant este deseori negativ.

Controlul biologic oferă o abordare ecologică a managementului bolilor plantelor și poate fi integrat cu succes în sistemul integrat de management al bolilor, fiind un component major al unei agriculturi durabile. Cu toate beneficiile controlului biologic care este mult mai sigur decât cel chimic, eficiența în combatere este mai scăzută comparativ cu compușii chimici. Agenții de control biologic sunt, prin însăși natura lor, mult mai limitați comparativ cu pesticidele clasice, fiind necesară stabilirea exactă a spectrului lor de acțiune și caracterizarea lor. Aceste aspecte au condus la numeroase studii asupra agenților biologici de control, pentru înțelegerea mecanismelor de acțiune și pentru explorarea unor noi abordări biotehnologice.

Agenții biologici, reprezentați de tulpini de bacterii, drojdii și fungi filamentoși pot acționa pe mai multe direcții:

-   pot crește mai repede sau pot utiliza mai eficient anumite resurse nutritive comparativ cu patogenii țintă, fiind competitori au acestora și împiedicându-i să se dezvolte (competiția pentru nutrienți);

-   pot produce și elimina în mediu diverși metaboliți care încetinesc sau chiar omoară patogenii aflați în apropierea respectivelor substanțe (antibioza);

-   pot determina plantele să sintetizeze compuși proprii care să prevină infecția sau să omoare patogenii (rezistența indusă);

-   pot acționa direct în sau pe patogen determinând distrugerea acestuia (parazitism).

Biopreparatele obținute pe baza unor asemenea microorganisme nu sunt poluante, sunt biodegradabile și pot asigura atât protecția față de acțiunea unor patogeni cât și stimularea dezvoltării plantelor, acționând ca biostimulatori naturali.

Cele mai multe studii au fost efectuate cu bacterii din genurile Bacillus și Pseudomonas și cu fungi din genul Trichoderma, la care au fost examinate, în detaliu, mecanismele de acțiune. Dintre acestea, cel mai important este micoparazitismul care presupune recunoașterea, legarea și degradarea enzimatică a peretelui celular al fungilor fitopatogeni țintă. Cea mai mare parte a sistemului antifungic constă dintr-un număr semnificativ de gene ce codifică pentru o gamă variată de enzime litice extracelulare: endochitinaze, N-acetil-β-glucozaminidaze; chitin 1,4-β-chitobiozidaze; proteaze; endo- și exoglucan β-1,3-glucozidaze; endoglucan β-1,6-glucozidaze; lipaze, xilanaze, mananaze; pectinaze; pectin liaze; amilaze; fosfolipaze; DN-aze și RN-aze. In afara enyimelor, microorganismele antagoniste pot produce o gama variată de compuși inhibitori, de tipul lipopeptidelor, 2,4–diacethylphloroglucinol (DAPG), fenazinele (phz), pyrolnitrinul (PRN), pyoluteorin (PLT), diverși acizi organici (HCN), lectine etc. Pentru activitatea de biocontrol, cea mai mare importanță o au enzimele chitinolitice și glucanolitice care asigură, pe de o parte, degradarea unor compuși specifici din peretele celular fungic și, pe de altă parte pot induce o serie de mecanisme de protecție la nivelul plantei. In același timp, biopreparatele microbiene pot conține, pe lângă celule microbiene vii, o serie de compuși macromoleculari sau diverse substanțe chimice de origine biologică (inclusiv provenite de la patogeni) care au efect elicitor, stimulând sistemele de apărare ale plantelor țintă.

Deseori, elicitorii induc o creștere a nivelului unor compuși de tipul apei oxigenate care pot determina o puternică acțiune antimicrobiană și pot conduce la generarea unor derivați activi ai unor acizi grași. In plus, stimularea producerii de compuși oxidativi de tipul H2O2 conduce la activarea transcrierii unor gene ale plantei, implicate în apărare și acumularea proteinelor codificate: chitinaze, glucanaze, endopoligalacturonaze. Asemenea enzime contribuie la eliminarea unor elicitori endogeni de tipul oligomerilor pectici, a glicoproteinelor bogate în hidroxiprolină și a inhibitorilor proteazici. Răspunsul de hipersensibilitate la moartea celulară de la locul de infecție a fost observat de mai multe grupuri de cercetători.

Dezvoltarea și diversificarea tehnicilor de biologie moleculară au permis studii aprofundate legate de baza genetică a mecanismelor de antagonism microbien, de identificare a căilor moleculare de reglare a anumitor gene microbiene sau vegetale implicate, mai ales, în inhibarea fitopatogenilor și în rezistența față de aceștia.

Top

ORIGINEA ȘI EVOLUȚIA COMPLEXITĂȚII GENOMULUI

Anca Păunescu

Institutul de Biologie București, anca.paunescu@ibiol.ro

Complexitatea genomică variază în limite largi la diversele forme de viață, diferențele cele mai evidente fiind descrise între genomul procariot și cel eucariot. Procariotele au în general un genom compact, format mai ales din nucleotide care codifică sinteza de proteine, spre deosebire de eucariote la care se deosebesc mai multe categorii de ADN necodificator cum ar fi regiunile intergenice, intronii, regiunile netranscrise și elementele transpozabile. Numărul de gene precum și ponderea ADN-ului necodificator variază semnificativ și între diferitele grupe de eucariote. Se consideră că există o corelație pozitivă între dimensiunea (exprimată în număr de gene) și complexitatea genomului. În general, atât dimensiunea cât și complexitatea cresc de la procariote, la eucariotele unicelulare, atingând un maxim la eucariotele pluricelulare. Această ipoteză, acceptată aproape unanim până nu demult, a pus bazele geneticii evoluționiste. Genetica evoluționistă nu poate explica însă de ce complexitatea genomului la Drosophila este superioară celei de la Cenorhabitis elegans cu toate că acesta conține aproape 5000 de gene în plus și nici de ce poliploizii la plante nu au o organizare mai complexă decât cea a diploizilor înrudiți. Relativ recent a fost enunțată o teorie nouă non-evoluționistă (Lynch & Conerly, 2003) care explică dezvoltarea complexității genomului ca fiind rezultatul unor procese aleatorii, non-adaptative. Această teorie a creat vii controverse privind dezvoltarea complexității genomului. S-a pus din ce in ce mai serios întrebarea dacă apariția genomului complex este o consecință a evoluției adaptative sau a unui mecanism aleator ca cel al derivei genetice? Levine & Tjian (2003) aduc ca argument ipoteza că există o corelație pozitivă între complexitatea genomică și numărul factorilor de transcripție per genă. De exemplu, genomul drojdiilor conține aproximativ 300 factori de transcripție, Drosophila 1000 iar omul aproape 3000. În sprijinul acestei ipoteze vine și observația că la organismele superioare regiunea promotor este mult mai extinsă, de asemenea, și varietatea de complexe proteice reglatoare care determină o specializare tisulară crescută. Expresia genică țesut specifică a avut astfel un rol determinant în dezvoltarea complexității structurale și funcționale a organismelor vii. Ideea că modificările se produc mai ales la nivelul genelor reglatoare, ar putea explica de ce diferențele semnificative între complexitatea unor organisme nu sunt întotdeauna dublate și de diferențe semnificative privind numărul de gene. Deși nu s-a ajuns încă la un consens privind care dintre cele două ipoteze privind dezvoltarea complexității genomului este cea validă, cele mai noi date de genetică moleculară (secvențierea a tot mai multe genomuri, descifrarea mecanismelor de reglaj transcriptional și post-transcripțional) vor putea oferi argumente care să ducă la elucidarea acestei dileme a genomicii contemporane.

 Top

ARHITECTURA PLANTEI REZULTAT AL UNUI PUZZLE DE PROCESE MORFOGENETICE LA NIVELURI DIFERITE DE ORGANIZARE

Monica Elena Mitoi

Institutul de Biologie București, monica.carasan@ibiol.ro

Planul corpului în regnul animal este închis și determinat, în timp ce la plante este deschis și nedeterminat. Cum acest plan simplu devine elaborat într-un vast aranjament de morfologii? Răspunsul: aceste plante posedă meristeme terminale, intercalare și în unele cazuri meristeme laterale care conduc la diversificarea planului de bază și generează o diversitate de arhitecturi ale corpului vegetal. Avantajul este separarea spațială a zonelor meristematice în care celulele se formează, diferențiază și se specializează, de zonele funcționale unde se găsesc celulele mature responsabile de fotosinteză, transportul moleculelor organice și anorganice, astfel încât planta poate crește continuu menținându-și activitatea metabolică. Diversitatea de forme apărută la plantele actuale arată că arhitectura depinde mult de funcția și determinarea meristemelor apicale și poate evolua prin modificarea funcțiilor meristemului, acesta fiind un generator al formelor intermediare de creștere ale unei plante.

Aspectele privitoare la meristeme și axele de dezvoltare ale diverselor structuri sunt actual subiecte de studiu ale fiziologiei și geneticii, iar analizele moleculare ar putea aduce informații noi privind reglarea funcției meristemelor și a capacității de a genera noi arhitecturi în cadrul plantei.

Arhitectura plantelor vasculare este dependentă în mare măsură de pattern-ul spațio-temporal al activității meristemelor. Meristemele sunt regiuni de dezvoltare care alcătuiesc morfologia plantelor și numeroase studii au vizat rolul hormonilor vegetali în aceste procese. În ultima decadă s-au identificat gene importante în creșterea specifică a organelor la diferite stadii de dezvoltare ale plantei, iar acum se inițiază o perioadă de studii ce vizează mecanismul de acțiune al acestor gene. Astfel se dorește să se determine rolurile relative ale genelor care sunt implicate în percepția și transducția semnalelor, precum și factorii de transcripție și elementele promotor ce influențează diferite morfologii, în ce măsură genele țintă sunt implicate în evoluția arhitecturală, cum aceste gene complexează sau modulează aceste procese.

Dezvoltarea post embrionară este inițiată de la nivelul meristemelor apicale: vegetativ, respectiv radicular și constă în generarea diferitelor structuri anatomice. La plantele superioare depinde de organizarea funcțională a meristemelor care este stabilită în cursul embriogenezei. În acest sens, dezvoltarea florilor poate fi văzută ca o modificare a programului de lăstărire.

Multe studii ce interesează biologia dezvoltării abordează subiecte legate de embriogeneză sau procese ce se raportează la aceasta dezvoltarea ovulului și a endospermului, maturarea semințelor, altele se concentrează pe procese post-embrionare de caulogeneză, de dezvoltare și tranziție a meristemelor.

Originea embrionară a meristemului vegetativ era un punct controversat, însă recent s-a evidențiat că formarea meristemului vegetativ este un proces dinamic de care depinde întreaga arhitectură și dezvoltare a sistemului aerian la plante, care este inițiat în regiunea apicală a embrionului și că viitorul celulelor meristematice este limitat la un mic grup de celule localizat între bazele celor două primordii cotiledonare, care va da naștere unităților fitomerice ale plantei adulte. Organizarea meristemul vegetativ funcțional a fost înțeleasă prin descoperirea unui grup de celule care servesc ca centru organizatoric care își mențin nedeterminarea proprie celulelor stem formând zona centrală. Această constatare a fost extrapolată și s-a făcut o paralelă cu organizarea funcțională a meristemului radicular în jurul centrului pasiv.

Meristemele apicale pot fi astfel văzute fie ca active, ca structuri ce își autoreglează funcționarea, fie ca unități neautonome sau pasive, ca un grup de celule nediferențiate, în diviziune care sunt modelate prin informațiile trimise de la celule diferențiate înconjurătoare în procesul de formare a pattern-urilor și morfogeneză.

Arhitectura plantei adulte este determinată de modelul de ramificare a lăstarului care depinde de perioada de activitate a meristemului vegetativ primar ca și de inițierea situsului de activitate a meristemelor vegetative. În ceea ce privește sistemul radicular, acesta pare a fi mult mai oportunist în dezvoltarea sa decât sistemul vegetativ care este limitat de natura determinativă a unităților din care este compus. Astfel noile rădăcini laterale pot fi formate oricând în răspuns la condițiile locale de mediu, acestea oferind oportunități de modificare a întregii arhitecturi radiale.

Frunzele sunt organe laterale inițiate de la meristemul apical vegetativ. Prin identificarea genelor ce au relevanță în procesul de formare și producere de noi frunze, morfogeneza frunzei a devenit accesibilă unei analize mecanice a dezvoltării. Prin determinarea modului cum interacționează aceste gene în stabilirea primordiului foliar, în direcționarea creșterii polare de-a lungul axelor și în stabilirea variatelor tipuri celulare se poate realiza o imagine de ansamblu asupra procesului morfogenetic la nivelul frunzei.

Un alt tip de organe de diferențierea cărora este responsabil tot meristemul apical vegetativ sunt florile. S-a făcut un mare pas în înțelegerea dezvoltării florilor, floarea fiind cel mai complex și atractiv organ al sistemului aerian la plante. Se cunoaște de mult timp ca organele florale reprezintă frunze modificate, presupunând că stadiu vegetativ de frunză este baza stadiului floral.

Prin descoperirea mutanților homeotici în care primordiile diferențiază normal în organe mature, dar în poziții diferite și prin identificarea genelor care determină soarta unui primordiu floral s-a realizat un progres semnificativ în înțelegerea dezvoltării plantei. Pentru o înțelegere completă a modului în care diferitele organe florale adoptă identități unice în timpul dezvoltării florilor trebuie studiat comportamentul și interacțiile combinatorii între diferitele clase de gene homeotice florale, dar și mecanismul de acțiune al produșilor acestora proteinele, ce formează complexe multimerice de acțiune, care se dovedesc a fi bazele moleculare reale ce determină dezvoltarea ulterioară a celulelor și țesuturilor.

Toate aceste progrese realizate în înțelegerea procesului de morfogeneză care afectează planul general sau modul cum este construită planta sunt piese ale unui puzzle care va da în viitor o imagine completă a procesului de dezvoltare al plantei întregi.

 Top

TRAHEOGENEZA “IN VITRO”, SISTEM MODEL PENTRU STUDIUL PROCESELOR CITODIFERENȚIERII ȘI A MORȚII CELULARE PROGRAMATE LA PLANTE (MCP)

Aurelia Brezeanu

Institutul de Biologie București, aurelia.brezeanu@ibiol.ro

Traheogeneza sau xilogeneza reprezintă un proces complex, un exemplu interesant al modului în care procesele de dezvoltare pot fi reglate prin manifestarea morții celulare programate.

In situ xilogeneza este inițiată în decursul dezvoltării embrionare și continuă pe parcursul vieții plantei prin formarea de la celule procambiale și cambiale de noi tipuri celulare și anume celule traheale (xilematice) care împreună alcătuiesc xilemul. Acestea sunt celule înalt diferențiate care formează sistemul conducător al plantei, structură rigidă cu rol în transportul la distanță a sevei brute. În decursul stadiilor finale ale diferențierii traheelor, celula manifestă îngroșări secundare ale peretelui celular ce-i conferă o structură particulară urmat de pierderea conținutului celular, prin autoliză și ulterior prin moarte celulară. Moartea celulei reprezintă în acest caz un proces activ, complex, benefic, esential pentru supraviețuirea organismului în intregul  său, ceea ce a condus la considerarea sa drept un exemplu tipic de realizare a MCP de tip apoptotic la plante. Din acest moment cercetările asupra traheogenezei s-au amplificat legat de necesitatea cunoașterii modului de realizare și a mecanismelor implicate în derularea apoptozei la plante comparativ cu sistemul animal.  

Date interesante s-au obținut folosind culturile “in vitro” care au permis considerarea traheogenezei in vitro” drept sistem model pentru studiul proceselor de citodiferențiere și moarte celulară programată la plante. S-a demonstrat experimental că traheogeneza se manifestă frecvent în cultura de calus dar și în suspensii celulare sau protoplaști. Avantajul acestui sistem constă în faptul că oferă posibilitatea obținerii unei populații celulare bogate care poate fi determinată să realizeze mai mult sau mai puțin sincron acest proces, ceea ce permite analiza citologică, biochimică și moleculară a principalelor evenimente ce il acompaniază. Permite, de asemenea, explorarea efectelor unor variate tipuri de molecule cu rol de semnal precum fitohormoni și inhibitori ai acestora. Mai mult, o populație pură de celule poate servi drept sursă valoroasă de la care să se poată izola gene care să se exprime specific în decursul diferențierii vasculare (Chasan-1994).

În contrast, folosirea în asemenea studii a organismului în intregul său nu permite analiza simultană decât a câtorva celule care se află poziționate la nivelul unor organe și țesuturi diferite suferind prin aceasta, influențele corelative a variate tipuri celulare. Date importante în acest sens au adus cercetările lui Fukuda și Kamamine (1980 a și b) asupra transdiferențierii celulelor izolate din mezofil și protoplaștii de mezofil de Zinnia elegans care au demonstrat pentru prima dată modul în care, celule de mezofil izolate mecanic prin mojararea frunzelor, pot suferi procese de dediferențiere și rediferentiere în traheide în absența unor diviziuni celulare, așa cum se descrisese anterior. Acest sistem a permis studiul complex, morfologic, fiziologic, biochimic și molecular al diferențierii traheelor au făcut posibilă evidențierea cu mare precizie a evenimentelor genetice ce au loc în decursul diferentierii lor progresive. Cascada expresiei genelor ce determină fenotipurile citologice ale traheelor in vitro se consideră a fi similară cu ceea ce se petrece in situ. Celulele traheale diferențiate se caracterizează prin dezvoltarea unor îngroșări secundare, caracteristice ale peretelui celular care se asociază cu creșterea conținutului în tubulină și aranjament ordonat al microtubulilor, o creștere în paralel a activității enzimelor implicate în lignificarea secundară a peretelui celular precum fenilalanil amonioliaza - (PAL) care catalizează producerea acidului transcinamic implicat în formarea monolignolului și ulterior a ligninei, sinteza a variate enzime hidrolitice  precum proteaze (cistein proteaze, serin proteaze) nucleaze (ADN- aze și ARN-aze) care sunt stocate în vacuom. Acesta cunoaște o creștere dramatică în decursul stadiilor avansate ale diferențierii fiind implicat în autoliza protoplastului. Studiile de biologie celulară au subliniat rolul major al vacuomului în faza de execuție a morții celulare asigurând eliminarea conținutului celular mort. Plantele, datorită peretelui celular rigid nu posedă fenomene de fagocitoză, nu posedă nici macrofage și neutrofile care să susțină acest proces. De aceea studiul vacuomului ca organit major implicat în MCP la plante s-a intensificat demonstrând că acesta este un organit celular important, extrem de dinamic și versatil. Cronshow și Bouck (1965) au lansat pentru prima dată ideea implicării sale în MCP din timpul traheogenezei iar apoi Groover (1997) a evidențiat clar prin videocinematografie distrugerea trabeculelor citoplasmatice concomitent cu manifestarea colapsului vacuolar și declanșarea autolizei. Colapsul vacuolar este reglat de celulă, nu este determinat de o “cădere metabolică” așa cum se petrecea în cazul necrozei. Este ca și cum celula posedă o serie de “ace moleculare” reprezentate de ionii de calciu, care perturbă integritatea tonoplastului determinând eliberarea hidrolazelor stocate în vacuum. Funcționează astfel ca o “bombă de suicid” detonată de către fluxul de calciu. Analiza TUNEL (ce se  consideră a fi marker sensibil al apoptozei) a evidențiat o corelare a celor două procese, colaps vacuolar - degradare a cromatinei nucleare (Jones - 2001). Autoliza celulară este calciu dependentă. În decursul diferențierii traheilor au fost evidențiate proteaze și anume, cel puțin 3 serin proteaze, cistein proteaze și nucleaze de tip S1 specifice apoptozei celulei animale. Fukuda și colab. (1977) consideră că autoliza și sinteza enzimelor hidrolitice se desfășoară concomitent. După alte opinii enzimele hidrolitice se acumuează în vacuum anterior distrugerii tonoplastului așa încât formațiunile celulare implicate în biosinteza lor să nu fie afectate. Compartimentul vacuolar constituie o condiție obligatorie prin stocarea în celule în cursul diferențierii, a întregului set de enzime necesare derulării programului apoptotic. Vacuomul vine să dea în acest fel răspuns și întrebării, dacă în traheogeneză putem vorbi de apoptoză, care este un proces fiziologic activ, sau nu. Este evident că celulele trebuie să fie în primul rând metabolic active pentru a putea sintetiza hidrolazele de care au ulterior nevoie, pe care le stochează în vacuom și le eliberează când vacuomul intră în colaps.

Degradarea tonoplastului se asociază cu modificări în organizarea organitelor celulare și a peretelui celular primar. Lignificarea peretelui celular apare după dezorganizarea tonopastului iar plasmalema rămâne intactă până ce toate organitele  celulare dispar ca entități cu structură tipică. O problemă încă controversată o constituie existența unei interrelatii între formarea peretelui celular secundar și procesul de lignificare. S-a postulat că depozitarea ligninei pare să necesite prezența matricei celulozice, idee încă controversată.

Un sistem experimental interesant care permite evidențirea unor elemente importante legate de interacția traheogeneză – citodiferențiere - apoptoză îl reprezintă țesutul tumoral de tip crown gall diferențiat în urma infecției cu bacteria Gram negativă fitopatogenă din sol Agrobacterium tumefaciens. Cercetări efectuate în laboratorul nostru în ultimii ani au evidențiat abundența în țesutul tumoral a traheidelor (ceea ce conferă acestuia o consistență dură), determinată probabil de nevoia unei aprovizionări mai eficiente cu nutrienți (Brezeanu și colab. 1996, 2001, 2002, Voichiță și colab. 2004). Distribuția elementelor traheale este cu totul particulară extrem de sofisticată comparativ cu ceea ce se întâlnește în cultura de calus. Pe secțiuni efectuate prin țesutul tumoral sunt remarcate pachete traheale cu aspect globular sau arbuscular puternic ramificate alături de traheide izolate. Nodulii traheali sunt înconjurați de celule de tip parenchimatic aflate în stadii variate ale traheogenezei. Frecvența lor foarte mare permite monitorizarea modificărilor celulare succesive specifice fiecărei etape în parte ceea ce ne-a condus la aprecierea că și acesta poate reprezintă un sistem experimental ideal pentru studiul apoptozei la plante neexploatat până acum. Pe plan ultrastructural sunt remarcate perturbări nucleare, în unele privințe similare celor prezente în celula animală în decursul apoptozei, exprimate prin lobări și fragmentări nucleare, număr mai mare de nucleoli, condensări ale cromatinei, o creștere a activității hipersecretoare a corpilor Golgi,  etc, fără ca acestea să fie însoțițe însă de formarea corpilor apoptotici tipici.   

            Datele prezentate aduc argumente în sprijinul ideii conform căreia traheogeneza reprezintă un sistem model pentru înțelegerea citodiferențierii; în același timp, evidențiază un mod particular de manifestare a MCP de tip apoptotic, la plante, înbinând caracterele generale specifice apoptozei în general cu elemente specifice plantelor. Între acestea menționăm rolul esențial al vacuomului dar și implicarea căilor de semmnalizare auxinică asa numita “canalizare a fluxului de auxină” care are acțiune inductoare în realizarea patternului (pro-) vascular. Calea de semnalizare auxinică, implică printre altele și calea proteolitică majoră,responsabilă de degradarea proteinelor, recuperarea de către plantă a  aminoacizilor componenți precum și interventia Ca2+ cu rol esențial în diferentierea elementelor traheale.

 Top

HAPLOIDIA ȘI DIPLOIDIA LA PLANTE

Sorin Ștefănuț

Institutul de Biologie București, sorin.stefanut@ibiol.ro 

Embriofitele au evoluat din algele de apă dulce de tipul characeelor. Ancestorii algali ai embriofitelor erau haploizi multicelulari, dar fără o fază diploidă multicelulară.

La embriofitele existente, trei mari categorii de cicluri de viață pot fi recunoscute. Acestea corespund grupărilor tradiționale din botanică: briofitele, pteridofitele și spermatofitelor (fig. 1). Din aceste grupări, numai spermatofitele sunt monofiletice. Pteridofitele sunt derivate din cadrul briofitelor, iar spermatofitele sunt derivate din cadrul pteridofitelor (Kenrick & Crane 1997).

Fig. 1. Alternanța de generații la plante. a) Schema ciclului de viață la plante. b) Gametofitul haploid de la Polytrichum commune, un mușchi, cu doi sporofiți diploizi. c) Gametofitul haploid de la Osmunda claytonia, o ferigă, cu un sporofit atașat în tranziție spre o existență independentă (Haig & Wilczek 2006) .

 

În ciclul de viață al briofitelor domină o fază multicelulară haploidă, iar după fecundare apare sporofitul diploid, dependent nutrițional de gametofitul matern. Sporofitul produce un sporangiu, unde are loc meioza în urma căreia apar sporii. După dispersia sporilor, sporofitul moare, dar gametofitul matern supraviețuiește și poate continua reproducerea asexuată sau sexuată.

În funcție de poziționarea organelor sexuale masculine și feminine pe gametofitul de la briofite au fost descrise mai multe tipuri de relații mutuale, prezentate în fig. 2.

Mai mult de jumătate dintre speciile de musci și peste două treimi dintre speciile de hepatice din întreaga lume sunt unisexuate (Wyatt 1982).

Fig. 2. Relațiile mutuale dintre organele sexuale la plante (după Schuter 1969, modificată).

 

La briofite, speciile dioice rezultă din două tipuri de spori ce duc la formare a două tipuri de plante haploide (femele și mascule). Plantele femele vor moșteni un singur cromozom X, iar plantele mascule vor avea un singur cromozom Y. Acestă situație nu este în analogie cu cea de la plantele superioare unde plantele femele vor moșteni câte doi cromozomi X, iar plantele mascule vor moșteni un cromozom X și unul Y. La briofite, plantele diploide (sporofitul) sunt întotdeuna XY și sunt asexuate (Fig. 3).

Fig. 3. Comparație dintre determinismul genetic al sexelor la plantele haploide și diploide dioice (după Vitt 1968, modificată).

 

Top

Rețeaua Natura 2000 – modelul european pentru conservarea diversității biologice

Simona Mihăilescu

Institutul de Biologie București, simona.mihailescu@gmail.com 

Conservarea diversității biologice (biodiversității) tinde să devină una dintre cele mai importante paradigme ale ecologiei contemporane. În accepția sa curentă, biodiversitatea a devenit sinonimă cu diversitatea componentelor taxonomice ale florei și faunei unui teritoriu biogeografic. A devenit totuși un uz larg de a defini biodiversitatea la nivelul genelor, speciilor, comunităților, precum și ecosistemelor. În același timp, pe lângă diversitatea biologică structurală, s-au conturat cu pregnanță aspectele funcționale ale acesteia, concretizate în conceptul diversității funcționale.

În România au fost ratificate principalele convenții și directive internaționale cu privire la diversitatea biologică și la conservarea ei și se elaborează legislația de mediu în concordanță cu legislația europeană în acest domeniu. Menționăm, în mod special, Convenția privind Diversitatea Biologică (Rio de Janeiro, 1992), care a fost ratificată prin Legea nr. 58/1994 și Convenția privind conservarea vieții sălbatice și a habitatelor naturale din Europa (Berna, 1979), adoptată prin Legea nr. 13/1993.

 Rețeaua ecologică europeană Natura 2000

La nivelul Uniunii Europene au fost desemnate următoarele regiuni biogeografice și marine: ALP=Alpine; ATL=Atlantic; BOR=Boreal; CON=Continental; MAC=Macaronesian; MED=Mediterranean; PAN=Pannonian; MATL=Marine Atlantic; MBAL=Marine Baltic; MMAC=Marine Macaronesian; MED=Marine Mediterranean. Numărul regiunilor biogeografice existente pe teritoriul fiecărui stat membru este foarte variabil. În comparație cu celelalte state membre, pe teritoriul României sunt prezente 6 regiuni (5 regiuni biogeografice și una marină). În concluzie, România se află pe locul al-II-lea ca număr de regiuni biogeografice, după Franța (7) și la egalitate cu Spania (6).

Desemnarea rețelei Natura 2000 presupune identificarea speciilor de plante și animale și caracterizarea habitatelor pentru propunerile de situri Natura 2000, respectiv pentru:

- Situri de Importanță Comunitară (SCI) – care au la bază Directiva Habitate a CE (Directiva 92/43/CEE a Consiliului Europei din 21 mai 1992 privind conservarea habitatelor naturale și a speciilor de floră și faună sălbatică - Council Directive 92/43/EEC on the Conservation of natural habitats and of wild fauna and flora).

-Arii de Protecție Specială Avifaunistică (SPA) – care au la bază Directiva Păsări a CE (Directiva 79/409/CEE a Consiliului Europei din 2 aprilie 1979 privind conservarea păsărilor sălbatice - Council Directive 79/409/EEC on the Conservation of wild birds).

În 2007, prima  evaluare sistematică a stării de conservare pentru cele mai vulnerabile tipuri de habitate și specii protejate din Europa, în conformitate cu Directiva Habitate, a fost realizată ca parte a raportării regulate din 6 în 6 ani pentru 25 de state membre și, respectiv, 11 regiuni biogeografice (7 terestre și 4 marine). Acest exercițiu de raportare la scară a fost incomparabil în Europa și a stabilit o primă evaluare și un punct de referință pentru a evalua tendințele viitoare. La nivel european, rezultatele care acoperă perioada 2001-2006, arată că doar o mică parte a habitatelor și speciilor de interes comunitar se află într-o stare favorabilă de conservare (aproximativ 15%).

Rețeaua Natura 2000 în România

Din punct de vedere al relevanței față de rețeaua europeană, siturile Natura 2000 s-au desemnat în toate cele 6 regiuni biogeografice aflate pe teritoriul României (Alpină 22,75%, Continentală 53,63%, Panonică 6,02%, Stepică 16,85% și Pontică 0,75%; regiunea Pontică-marină cuprinde zona de exclusivitate economică marină și nu este încă calculată cu precizie). Bioregiunea stepică este prezentă la nivel de Uniune Europeană doar în România, iar regiunile pontică și pontică-marină (Black Sea) sunt prezente în România și Bulgaria.

Implementarea rețelei europene Natura 2000 în România implică un efort susținut pentru întocmirea documentațiilor științifice de fundamentare, corespunzătoare pentru includerea în sistemul european a siturilor desemnate la nivel național.

Cele două directive ale Uniunii Europene, respectiv Directiva Păsări și Directiva Habitate, au fost transpuse în legislația românească prin Ordonanța de Urgență a Guvernului României nr. 57 din 20/06/2007 privind regimul ariilor naturale protejate, conservarea habitatelor naturale, a florei și faunei sălbatice. În anexele acestei ordonanțe a fost indicată prin (*) prioritatea de conservare a speciei sau habitatului.

Ca rezultat al aderării României la Uniunea Europeană în 2007, un număr de specii și tipuri de habitate au fost propuse de țara noastră pentru a fi incluse în anexele Directivei Habitate. Menționăm speciile propuse a fi incluse în directivă: Romanichthys valsanicola Dumitrescu, Bănărescu, Stoica, 1957, Astragalus peterfii Jáv., Campanula romanica Savulescu, Centaurea pontica Prodan & E. I. Nyárád, Draba dorneri Heuffer, Galium moldavicum (Dobrescu) Franco, Moehringia jankae Griseb. ex Janka, Poa granitica Br.-Bl. ssp. disparilis (E. I. Nyárády) E. I. Nyárády, Potentilla emilii-popii Nyárády, Stipa danubialis Dihoru & Roman, Syringa josikaea Jacq. Fil. ex Reichenb., Tulipa hungarica Borbas. Menționăm habitatele propuse a fi incluse în directivă: 31A0 * Izvoare termale din Transilvania acoperite de lotus (Transylvanian hot-spring lotus beds), 40C0 * Tufărișuri de foioase ponto-sarmatice (Ponto-Sarmatic deciduous thickets), 62C0 *Stepe ponto-sarmatice (Ponto-Sarmatic steppes), 91X0 * Păduri de fag dobrogene (Dobrogean Beech forests), 91Y0 Păduri dacice de stejar și carpen (Dacian oak & hornbeam forests), 91AA * Păduri estice de stejar alb (Eastern white oak woods).

Rețeaua Natura 2000 în România este localizată pe întregul teritoriu aflat sub jurisdicție națională a  României, inclusiv zona de exclusivitate economică marină, teritoriu pe care au fost desemnate siturile Natura 2000. Până în prezent s-au desemnat 273 SCI-uri și 108 SPA-uri, consemnate în actele legislative: Ordin al Ministrului Mediului și Dezvoltării Durabile nr. 1964/2008 privind instituirea regimului de arie naturală protejată a siturilor de importanță comunitară, ca parte integrantă a rețelei ecologice europene Natura 2000 în România, și respectiv, Hotărârea de Guvern nr. 1284/2007 privind declararea ariilor de protecție specială avifaunistică ca parte integrantă a rețelei ecologice europene Natura 2000 în România. Prezentăm hărți cu distribuția la nivelul României a SCI-urilor și SPA-urilor desemnate pentru rețeaua Natura 2000. 

Selecția siturilor Natura 2000 s-a făcut în baza unor criterii diferite pentru SCI sau SPA. În funcție de clasificarea siturilor, măsurile de management sunt specifice și definesc activitățile permise și interzise în sit. Cu cât informația științifică rezultată în urma documentării din literatură și a cercetărilor din teren este mai exactă, cu atât mai mult se poate ajunge la măsuri pentru menținerea stării de conservare favorabilă necesară pentru speciile și habitatele menționate în anexele directivelor europene.

Top

Complexitatea biologică a rolului și locului tisanopterelor  în  funcție  de  etajarea  vegetației

Liliana Vasiliu-Oromulu

Institutul de Biologie București, liliana.oromulu@ibiol.ro 

Învelișul vegetal reprezintă mozaicul comunitǎțiilor de plante care acoperǎ un anumit teritoriu. În România, acesta prezintǎ urmǎtoarele unitǎți zonale pe latitudine: zona de stepǎ,  silvostepǎ, a pǎdurilor de foioase și pe altitudine, în teritoriul deluros-muntos: etajul nemoral, boreal, subalpin și alpin.

În fiecare unitate de vegetație sunt menționate flora și fauna caracteristicǎ la nivel macro al complexitǎții biologice, iar la nivel micro, sunt citate insectele din ordinul Thysanoptera, în distribuția lor altitudinală de la 2500 m pânǎ la nivelul Mǎrii Negre (pe baza literaturii publicate între 1900-2009).

În Masivele Gârbova, Bucegi, Retezat, Piatra Craiului, aceste insecte prezintă maximul diversității în etajul nemoral al pǎdurilor de foioase (85 specii). Există și o delimitare caracteristică: doar în zona alpină se gasește Apterothrips secticornis. In stepa Dobrogeană, din cele 67 specii semnalate, tipic este thripsul Chirothrips spinulosus, iar pentru zona Marii Negre, Oxythrips euxinus.

Sunt 11 specii ubicviste, prezente din stepa Dobrogeană pâna la Vf. Omu.

Ca urmare a impactului antropic au loc schimbări importante ale complexității biologice, atât la nivel macro, asupra florei și faunei, cât și la nivel micro, asupra thysanopterelor, determinând diminuarea accentuată a diversității specifice și densității acestora. 

Top

COMPLEXITATEA INTERRELAȚIILOR DINTRE PLANTE ȘI INSECTELE FITOFAGE

Sanda Maican

Institutul de Biologie București, sanda.maican@ibiol.ro

 Plantele (producătorii primari) sunt principalele organisme capabile să sintetizeze substanțe organice pornind de la substanțe anorganice, prin captarea energiei solare cu ajutorul pigmenților clorofilieni, în cadrul procesului de fotosinteză. Substanța organică acumulată în corpul plantelor este consumată de organismele fitofage, inclusiv de insecte (consumatorii primari), de la aceștia fiind transferată celorlalte categorii de consumatori.

Coevoluția plante-insecte fitofage

Atunci când două tipuri de organisme interacționează unul cu celălalt (un prădător cu prada lui, o gazdă cu parazitul ei, o plantă cu flori cu un polenizator), fiecare dintre parteneri va exercita o presiune selectivă asupra celuilalt. Diversitatea și răspândirea actuală a plantelor și insectelor este rezultatul coevoluției lor, o mare parte a procesului de evoluție desfășurându-se printr-o astfel de coevoluție.

Coevoluție = dezvoltarea unor adaptări complementare la două categorii de organisme, determinată de acțiunea de selecție pe care o exercită reciproc una asupra celeilalte.

Răspândirea impresionantă a angiospermelor s-a produs în Cretacic, cu cca. 125 milioane de ani în urmă, concomitent cu o răspândire similară a insectelor. Acest fenomen, numit de Darwin “enigma revoltantă” s-a datorat  polenizării încrucișate realizate de către insecte,  unirea gameților de la plante diferite din aceeași specie ducând la creșterea vitalității, rezistenței și productivității descendenților. În prezent, cca. 80% dintre plantele cu flori sunt entomofile.

Inițial, interrelația dintre insecte și plantele cu flori a constat în consumul organelor florale de către insecte - relație cu profit unilateral. Ulterior, aceasta a evoluat către o relație de simbioză, cu profit bilateral, la avantajul trofic al insectelor adăugându-se cel al polenizării încrucișate pentru plante.

Fitofagia

Este o relație trofică foarte răspândită în lumea insectelor. Insectele fitofage se hrănesc atât cu organele aeriene (frunze, ramuri, lemn și scoarța tulpinilor, flori, fructe, semințe) și subterane ale plantelor vii (rădăcini, tuberculi, rizomi, bulbi), cât și cu lemnul mort. Poate fi fitofag doar unul dintre stadii (larva sau adultul) sau ambele stadii, hrănindu-se cu același organ sau cu organe diferite ale plantei.

Ponderea speciilor de insecte fitofage în cadrul diferitelor grupe de insecte.

Ordinele Coleoptera și Lepidoptera includ cel mai mare număr de specii fitofage, în contrast cu Ordinul Orthoptera, cu cel mai mic număr de specii fitofage.

Specializarea insectelor fitofage.

a) în funcție de numărul  speciilor de plante pe seama cărora se hrănesc, insectele fitofage se clasifică în: monofage, oligofage și polifage.

§         monofage  - insecte strict specializate pe o singură specie de plantă;

§         oligofage  - se hrănesc cu un număr mic de specii de plante, aparținând unei singure familii;

§         polifage  - se hrănesc cu un număr relativ mare de plante din familii diferite (exemple).

Dintre cele aprox. 310.000 specii de insecte fitofage, peste 230.000 (cca. 75%) sunt mono- sau oligofage.

Fenomenul de acceptare a unei plante refugiu este întâlnit la multe specii de insecte (ex: Chrysomelidae) din țările temperate și tropicale, în perioade de secetă, când are loc dispariția sezonieră a plantei gazdă; se manifestă prin atracția adulților pentru specii de plante care nu sunt în  mod normal plantele gazdă tipice pentru aceștia.

b) după părțile plantelor pe care le consumă, insectele fitofage pot fi:

§         filofage (frunze);

§         seminifage (semințe);

§         xilofage (lemn);

§         rizofage (rădăcini);

§         polinivore (polen);

§         nectarivore (nectar).

Mutualismul

Relația dintre insectele antofile și plantele entomofile - relație bilateral benefică, care a mers până la o dependență strictă a plantelor entomofile de insectele polenizatoare (antofile).

§         insecte antofile (gr. anthos = floare + philein = iubitor) - insecte care vizitează florile, realizând polenizarea încrucișată;

§         plante entomofile (gr. entomon = insectă + philein = iubitor) - plante care prezintă adaptări speciale (nectar, polen, parfum, culoare) pentru a atrage insectele care le asigură polenizarea (exemple).

Mecanisme de apărare ale plantelor față de insectele fitofage

În cursul coevoluției, plantele și-au dezvoltat prin selecție naturală, o serie de mecanisme de apărare (fizice, chimice) față de atacul insectelor.

Mecanisme fizice - sunt reprezentate de: lignificarea unor organe, prezența pubescenței, a

spinilor, perilor urticanți (exemple).

 Mecanisme chimice - extrem de complexe, acționează asupra insectelor fitofage la nivel

comportamental, determinând inhibarea hrănirii, dar și la nivel fiziologic, putând conduce la: intoxicarea insectelor, reducerea eficienței procesului de hrănire, scăderea rezistenței față de acțiunea patogenilor, inducerea unor anomalii în dezvoltare (ex: producerea de către unele plante a hormonilor care controlează metamorfoza insectelor - hormoni de năpârlire, ecdisoni).

Metaboliții secundari (taninuri, cumarine, alcaloizi etc.) sunt compuși toxici secundari produși

de plante care nu intervin neapărat în metabolismul primar, dar care constituie factorul selectiv ce conferă plantelor protecție contra insectelor.

Mecanisme de apărare ale insectelor fitofage față de plante

Insectele fitofage reacționează față de mecanismele chimice defensive ale plantelor prin diferite mecanisme de apărare: detoxifierea substanțelor toxice, depozitarea acestora în corp - insectele devenind la rândul lor toxice pentru dușmanii naturali, excreția (exemple).

Bazele fizice și chimice ale selecției plantelor de către insectele fitofage

Percepția vizuală – factor de selecție.

Adulții gândacilor-de-frunze (Chrysomelidae), spre deosebire de formele larvare, disting culorile. În mod normal, culoarea verde este cea mai stimulantă, deoarece ea corespunde culorii frunzelor care sunt consumate cu prioritate. Speciile de Chrysolina pot distinge albastru de galben, portocaliul de violet și de verde. Culoarea și forma plantei intervin în mod egal în procesul de selecție, mai ales la arbuști.

Categorii de compuși chimici care intervin în procesul de selecție al plantelor gazdă:

§         arestanți - stopează locomoția;

§         atractanți - determină orientarea și mișcarea către sursa de hrană;

§         inhibitori ai hrănirii - resping insecta și împiedică consumul plantei;

§         fagostimulanți - declanșează și favorizează hrănirea.

 Top

COMPLEXITATEA BIOFILMELOR MICROBIENE LA NIVEL MACRO, MICRO, NANO

Prof. dr Veronica Lazar 

Universitatea București, Facultatea de Biologie

Biofilmele microbiene, mono- sau polispecifice (consortii), sunt considerate o fază de creștere distinctă, o formă de diferențiere celulara primitiva a bacteriilor, ca si a altor microorganisme unicelulare, fiind profund diferite de forma alternativa de existenta, de celule libere, planctonice, studiate atat de intens in perioada postpasteuriana; aceasta stare confera celulelor componente o serie de avantaje si in general o capacitate mai mare de adaptare si rezistenta la orice forma de stres.  Observatiile directe asupra bacteriilor prezente in toate ecosistemele naturale au aratat in mod constant ca aceste organisme predomina sub forma unor comunitati inalt structurate denumite "biofilme", asociate cu diferite suprafete (animate si neanimate). De altfel, in mediul natural doar in aceasta stare  microorganismele sunt accesibile observatiei macroscopice; microscopia insa a fost și continuă să fie o metodă primară de studiu a populațiilor microorganismelor atașate. Se afirmă că se poate vorbi de un biofilm la densități variind între de 104celule/cm2–108celule/cm2, aceste limite marcând diferența dintre biofilmele invizibile și cele vizibile, dintre microscopic si macroscopic.

Un biofilm este definit in prezent ca fiind o comunitate microbiană sesilă compusă din celule care sunt în mod ireversibil atașate la un substrat, la o interfață sau unele de altele, care sunt înglobate într-o matrice de substanțe polimerice extracelulare produse de către aceste celule și care prezintă un fenotip modificat, în privința ratei de creștere și a transcrierii genelor.

La sfarsitul anilor '80 utilizarea de tehnici nedistructive, cum ar fi microscopia laser confocala cu baleiaj si microelectrozii au adus o imagine mai precisa asupra structurii biofilmelor. Un biofilm matur este multistratificat si prezinta o arhitectura complexa, fiind asemanator cu o structura tisulara, prezentand astfel si o importanta evolutiva. Celulele biofilmului beneficiaza de o <<homeostazie>> primitivă, <<un sistem circulator>> primitiv și o cooperare metabolică, particularități care fac ca aceste celule sesile să difere fundamental de celulele planctonice din aceeași specie. Biofilmele care se dezvoltă pe suprafețe solide expuse unui curent continuu de nutrienți, formează structuri diferențiate în «ciuperci» și «coloane» formate din substanțe polimerice extracelulare și celule înglobate, separate de spații scăldate de lichid. Aceste structuri, destul de rezistente, pot totuși să fie uneori detașate de curenți și să realizeze diseminări la distanță. Trecerea de la stadiile inițiale ale colonizării, către forme stabile în biofilme mature implică interacțiuni nu numai cu substratul, ci și între celule. Rezultatele studiilor la nivel molecular asupra biofilmelor au demonstrat ca acestea se formeaza datorita unor procese controlate de mecanisme complexe de semnalizare intercelulara si ca reglajul genetic in timpul dezvoltarii biofilmului este dependent de acumularea unor molecule semnal cu rol in comunicarea intercelulara, cu g.m. mica: acizi grași volatili, peptide si homoserin-lactone. Studii recente afirmă rolul determinant al unui proces tipic de detectare a densității celulare (quorum sensing and response) asupra arhitecturii și rezistenței biofilmelor la condiții de stres, asupra exprimarii/represiei unor gene, 40-60 % din genomul procariot fiind supus unei noi programari, in celulele bacteriene ireversibil aderate la diferite substraturi. Descifrarea mecanismelor moleculare ale reglării, ar putea constitui premisa  manipularii procesului în sensul dorit: atașare/detașare.

Aceste organisme sesile predomină în majoritatea mediilor naturale, dar fiziologia și comportamentul lor sunt de mare interes și pentru domeniile industrial și medical. Formarea de biofilme în mediul natural și în sistemele industriale este considerată în prezent ca una din strategiile de adaptare și supraviețuire ale bacteriilor, pentru protecția față de substanțe antibacteriene (incluzând și antibibioticele naturale), față de bacteriofagii și protozoarele bacteriovore din mediu. În acest context, este explicabil faptul că infecțiile cronice determinate de bacterii crescute în biofilme sunt rezistente la antibioterapie, ca și la mecanismele de clearance, de îndepărtare a substanțelor străine din organismul gazdei, cum ar fi anticorpii și fagocitele. In "ecosistemele" medicale, aderenta microbiana conduce la formarea de biofilme pe diferite suprafete, naturale (tegumente si mucoase, intacte sau lezate, celule endoteliale, dinti) sau artificiale (diferite materiale protetice) si reprezinta o preconditie in patologia a numeroase infectii bacteriene, dificil de tratat, datorita comportamentului diferit al celulelor din biofilme, respectiv rezistentei fenotipice, comportamentale sau, mai nou, tolerantei fata de factori antimicrobieni.

In domeniul biotehnologiei, se utilizeaza în prezent biofilme și celule imobilizate cu scopul de a crește performanța bioreactoarelor, deoarece este demonstrat faptul că microorganismele imobilizate realizează activități care sunt mai diverse, mai eficiente și mai importante din punct de vedere economic decât ale celor aflate în stare libera, pentru a obține metaboliți specifici acestei faze de creștere sau pentru a realiza bioconversia unor substante greu biodegradabile, ca și pentru  crearea de biosenzori, deoarece există posibilitatea localizării unui răspuns biologic. Dintre structurile suprafatei celulare care mediaza aderenta denumite generic adezine,  stratul S, reprezentat de două straturi proteice paracristaline, una dintre cele mai primitive structuri parietale, este obiectul unor cercetari intense in prezent; cunoștințele actuale asupra structurii, compoziției chimice, asamblării, proprietăților de permeabilitate ale proteinelor (glicoproteinelor) acestui strat au condus deja la spectru larg de aplicații, atât biotehnologice, biomedicale, cât și în domeniul nanotehnologiilor, care vor permite de exemplu, «creșterea» miniaturizării senzorilor bioanalitici și a dispozitivelor bioelectronice.

Ca o stare alternativă a populației, agregarea celulară contribuie la supraviețuirea comunității într-un mediu ostil. Avantajele care decurg din organizarea microorganismelor într-un aranjament "social" pot fi imaginate prin analogie: ceea ce nu poate fi realizat de indivizi, poate fi atins de o uniune sinergică a mai multor indivizi. Capacitatea de aderență a microorganismelor are o origine foarte veche, așa cum o demonstrează prezența biofilmelor în stromatolitele fosilizate. Din punct de vedere teoretic, agregarea microbiană în general a fost folosită ca model de studiu pentru alte fenomene biologice care implică interacțiunea celulă - celulă, cum ar fi diferențierea, morfogeneza, sexualitatea, comunicarea, recunoașterea, reglarea, specificitatea macromoleculară. Recunoașterea în ultimele decenii a semnificației ecologice, medicale si biotehnologice, ca si teoretice a fenomenelor de aderență și agregare microbiană ce conduc la formarea de biofilme a determinat o escaladare a cercetarilor în acest domeniu, pe deplin justificată.

 Top

RELAȚIILE TROFICE ALE COMUNITĂȚILOR PLANCTONICE ÎN ECOSISTEME DE TIP LACUSTRU

Victor Zinevici, Laura Parpală

Institutul de Biologie București, victor.zinevici@ibiol.ro; laura.parpala@ibiol.ro

Planctonul reprezintă comunitatea pelagică alcătuită din organisme care plutesc pasiv în masa apei grație unor adaptări semnificative sau care execută deplasări limitate cu ajutorul unor organe destinate doar parțial scopului menționat, rolul principal al acestora fiind acela de filtrare sau sedimentare a particulelor mărunte aflate în suspensie, dintre care o parte prezintă importanță în procesul de hrănire.

Termenul de plancton a fost utilizat pentru prima dată de Hensen (1887), dar într-o accepție diferită de cea actuală, ce grupa laolaltă atât particulele vii, cât și cele de natură detritică sau minerală.

Structura trofică a planctonului este alcătuită din mai multe nivele reunite schematic sub forma unei piramide. La baza acesteia se află producătorii primari, componente cu rol esențial în introducerea masei și energiei în ecosistem; vârful piramidei este constituit din consumatorii de ordinul I cunoscuți sub numele de zooplancton nonpredator, „ierbivor” sau „pașnic” și cei de ordinul II, zooplanctonul predator, în timp ce între producătorii primari și consumatori se localizează descompunătorii.

Producătorii primari sunt reprezentați în mod prioritar de fitoplancton și complementar de cianobacterii. În structura fitoplanctonului se întâlnesc populații de euglenoficee, dinoficee,  criptoficee, crisoficee, xantoficee, bacilarioficee și cloroficee. Consumatorii primari sunt reprezentați de testacee, ciliate, rotifere, larve planctonice de lamelibranhiate, cladocere și copepode „ierbivore”, iar cei secundari – de ciliate, rotifere, cladocere și copepode predatore.

Producătorii planctonici pot fi valorificați în mod direct de către consumatorii planctonici primari sau sub formă indirectă, prin intermediul canalului trofic al hranei detritice.

În bazinele caracterizate prin nivele ridicate de trofie, biomasa totală a algelor de talie mare, ce nu pot fi reținute cu aparatura de captare a hranei de către zooplancton, o întrece pe cea a algelor nanoplanctonice, utile hranei acestora. După moarte, algele neconsumate sunt atacate de populații bacteriene și fragmentate în particule detrito-bacteriene mărunte, ce reprezintă o sursă importantă de hrană pentru zooplancton.

Structura trofică a zooplanctonului relevă existența unei organizări complexe pe nivele, tipuri și grupe trofice. Între componentele nivelelor se desfășoară relații trofice bazate pe transfer de materie organică și energie. În cazul componentelor aceluiași nivel, integrate în tipuri sau grupe distincte, accesul la hrană se realizează prin specializare în captarea unei game distincte de particule, sub raport dimensional. În fine, între componentele aceleiași grupe se desfășoară relații de tip competitiv.

În majoritatea cazurilor selectarea hranei zooplanctonului se realizează în mod pasiv, în funcție de dimensiunile rețelei aparatului filtrator sau de cele ale orificiului de captare a hranei. În schimb, calitatea nutritivă și gustativă a particulelor sau originea acestora prezintă de obicei importanță redusă sau nulă. O oarecare excepție de la această situație prezintă doar copepodele. În funcție de dimensiunile hranei ingerate, consumatorii primari se diferențiază în două tipuri trofice: microconsumatori și macroconsumatori. Primii se hrănesc prioritar cu agregate detrito-bacteriene, complementar cu nanofitoplancton mărunt, iar ceilalți, prioritar cu nanofitoplancton de talie mare, complementar cu agregate detrito-bacteriene.

În structura tipului microconsumator se evidențiază cinci grupe trofice (microfagotrofi, microsedimentatori, microfiltratori-sedimentatori, microfiltratori „eficienți” și microfiltratori „ineficienți”, iar în cea a tipului macroconsumator, două – macrofiltratori – secundar predatori și macrofiltratori propriu-ziși.

Cel de al doilea nivel trofic include consumatorii secundari diversificați în trei grupe trofice: predatori-secundar microsedimentatori, predatori-macrofiltratori și predatori propriu-ziși.

În ansamblul complexelor relații interspecifice, cele de natură trofică constituie principalul mecanism al funcției de autocontrol ecosistemic.

Modificările ample, intervenite în ultimile decenii ale secolului 20 în structura și funcțiile zooplanctonului lacustru din Delta Dunării (reducerea semnificativă a spectrului taxonomic, proliferarea numerică, creșterea evidentă a biomasei și productivității, scurtarea timpului de reciclare a biomasei, ca și schimbările sesizate la nivelul populațiilor și asociațiilor sale dominante) constituie, într-o măsură însemnată, rezultanta mutațiilor intervenite în structura și relațiile trofice ale consumatorilor planctonici cu componentele celorlalte nivele trofice ale comunităților planctonice și în primul rând cu producătorii primari. 

Top

ANTICORPI CONJUGAȚI CU NANO-PARTICULE DE AUR COLOIDAL CU UTILIZARE ÎN DETECTAREA UNOR MOLECULE DE INTERES ÎN BIOLOGIE ȘI MEDICINĂ

Mirancea N.,  Mirancea Dorina

Institutul de Biologie București, nicolae.mirancea@ibiol.ro

 Toate entitățile și infrastructurile subcelulare intră în categoria de mărimi cuprinse în scala nanometrică de aproximativ sub un nanometru până la câteva sute de nanometri. Obiectele de studiu ale biologiei moleculare sunt în principal ADN-ul, ARN-ul și proteinele. Diametrul dublului helix al ADN-ului are cca. 2 nm, diametrul unei proteine tipice cum este hemoglobina masoară cca. 5 nm, placa desmozomală are cca. 30 nm, iar joncțiunea hemidesmozomală este aproximată la 200 nm.

Într-o exprimare concisă, nanotehnologia poate fi definită ca fiind inovația umană în controlul structurilor și proceselor incluse în scala nanometrică.

Localizarea spațio-temporală a proteinelor la nivel celular/tisular este în principal realizată prin microscopia optică (M.O.). Pentru vizualizare, microscopia optică folosește lumina (fotonii). Rezoluția în microscopie crește atunci când în locul fotonilor sunt utilizați electronii (microscopia electronică), întrucât diferit de fotoni, electronii au lungimea de undă (0.004 nm) de cinci ori mai scurtă decât lumina vizibilă. Condiția esențială pentru ca un agent utilizat ca marker să fie detectabil (vizibil) în microscopia electronică în transmisie (MET) este ca acesta să aibă o greutate moleculară capabilă la impactul cu fluxul electronic să determine împrăștierea (scatter) electronilor încât, la examinarea în MET markerul este vizualizat ca o zonă mult mai electronodensă (eventual ca un semnal electrono-opac) decât restul imaginii înregistrate.

Investigarea unor molecule (proteine, glicoproteine etc.) in situ, cu ajutorul microscopului electronic (ME) utilizând anticorpi conjugați cu aur coloidal (imuno electronomicroscopie – IEM) oferă posibilitatea de a localiaza molecule de interes pe/în infrastructurile celulare sau din matricea extracelulară și de a face aprecieri în legătură cu geometria distribuției unor molecule în raport cu altele la nivelul scalei nanometrice. În cazul în care este necesară identificarea in situ a unor secvențe specifice de acizi nucleici (ADN sau ARN) în celule izolate sau chiar în țesuturi la înaltă rezoluție, atunci se aplică tehnica de hibridizare in situ la nivel ultrastructural (ISH-EM). Dacă pentru aceeași probă biologică (celule, țesuturi) se aplică o combinație de IEM și ISH-EM, atunci se pot obține informații topologice privind activitatea genelor la nivelul ADN-ului, ARNm precum și al produselor activității genelor – proteinele.

În scopul detectării unor secvențe de acizi nucleici la nivel ultrastructural, (ISH-EM), se utilizează cu succes digoxigenina (un steroid izolat din plante Digitalis purpurea sau Digitalis lanata care se leagă la nucleotida uridină) și un anticorp anti-digoxigenină cuplat cu particule de aur coloidal de diferite dimensiuni (1, 5, 10, 15 nm). Întrucat singurele surse naturale de digoxigenină sunt florile și frunzele speciilor de plante mai sus menționate, nu apare nici o legare nespecifică a anticorpilor anti-digoxigenina în alte materiale biologice.

O modalitate elegantă de a realiza ISH-EM este utilizarea unui Peptid Nucleic Acid (PNA) care este un ADN sintetic în care scheletul fosfat-deoxiriboza este înlocuit printr-un schelet peptidic la care sunt legate nucleobazele. Dacă la o secvență de baze nucleotidice de tip PNA cunoscută se cuplează digoxigenina, după realizarea protocolului de ISH-EM care presupune și utilizarea unui anticorp anti-digoxigenină cuplat cu aur coloidal, se poate localiza in situ cu precizie gena de interes.

Recent, nanocristale semiconductoare mici cunoscute si sub numele de quantum dots (QDs) făcute din selenit de cadmiu sau materiale înrudite au fost optimizate în aplicarea lor în cercetarea biologică bazată pe observații de microscopie optică. QDs sunt nanoparticule semiconductoare anorganice fluorescente cu proprietăți optice superioare fluoroforilor organici.

Existența strâns-împachetată a atomilor în miezul și învelișul acestor nanocristale le face să fie în bună masură și markeri potențiali pentru proteine la nivel electronomicroscopic (EM).

QDs sunt atât fluorescente cât și electronodense, ceea ce facilitează utilizarea lor în analiza de microscopie corelativă.

Conjugate cu aur coloidal de 1nm

Majoritatea proteinelor (în principal imunoglobuline) utilizate pentru legare cu aur coloidal au mărimea cuprinsă între 5-10 nm. O imunoglobulină IgG cu o greutate moleculară de 150.000 are aproximativ 8 nm lungime. Când sunt adsorbite particule de aur coloidal de o mărime echivalentă sau mai mare decât imunoglobulina IgG, (de exemplu mai mare de 5 nm), asemenea proteine pot fi îndeajuns alterate încât să le afecteze reacția lor de legare (steric hindrance). În plus, afinitatea și aviditatea legării poate fi afectată atât ca urmare a ordinului de mărime cât și al încărcării electrice a particulelor de aur. Asemenea particule de aur coloidal mari pot să prevină penetrarea anticorpilor prin membrane și marcarea unor componente intracelulare. Când anticorpii și proteinele sunt acoperite cu particule de aur de 1 nm, multe dintre aceste dificultăți sunt depășite. Întrucât o particulă de aur de 1 nm este mai mică decât o moleculă de anticorp, mai mult de o particulă se pot atașa de fiecare imunoglobulină. Se estimează că până la 3 particule de aur de 1 nm pot să se lege de gruparea Fc a unei IgG.

Un mare avanataj al particulelor de aur de 1 nm este acela al creșterii penetrării anticorpilor în celule și țesturi fără a fi nevoie de o permeabilizare extensivă, știut fiind că permeabilizarea cu detergenți poate să determine alterări severe sau pierderea unor constituienți intracelulari. Deși tratamentul celulelor și țesuturilor cu detegenți cum ar fi Triton-X sau saponină permite anticorpilor să ajungă la antigenii citosolici, acești detergenți tind să rupă membranele și componentele citoscheletice. Sunt două rațiuni pentru care detergenții ar trebui omiși: 1) detergenții alterează ultrastructura membranelor; 2) detergenții pot să disloce proteinele legate la membrane. Anticorpii primari cuplați cu particule de aur coloidal de 1 nm, penetrează celulele și țesuturile fără tratament cu detergent. In Imuno-EM, validitatea acestei afirmații este probată prin utilizarea metodei de pre-embedding comparativ cu imunomarcarea utilizând secțiuni ultrafine post-embedding. Pentru a identifica antigenii celulari/tisulari recunoscuți de anticorpii cuplați cu aur coloidal de 1 nm prin IEM la magnificații rezonabile, înainte de contrastarea secțiunilor ultrafine, este necesară aplicarea unui protocol de amplificare a semnalului cu argint (silver enhancement) prin care, în funcție de durata reacției de amplificare, obținem granule electronoopace de dimensiuni controlate.

Conjugate cu nanogold®

Particula nanogold® este covalent și specific legată la o grupare „balama” tiol pe FabŽ sau IgG. Comparativ cu preparatele de anticorpi cuplate cu aur coloidal, conjugatele nanogold® au o excenlentă stabilitate. Conjugații cu nanogold® pot fi utilizați: în microscopia electronică pe criosecțiuni ultrafine, în microscopia electronică pre-embedding, în microscopia electronică post-embedding, în microscopia electronica cu baleiaj (SEM), în microscopia corelativă TEM-MO- microscopie confocală.

Nanogold® este un marker foarte bun. Particula de nanogold® de 1,4 nm este un compus de aur care nu este doar adsorbit la proteină așa cum e cazul aurului coloidal ci, în condiții de tamponare medie, reacționează covalent la locuri specifice. Nanogoldul® marchează numai la locurile reactive specifice. Marcarea este selectivă pentru tiol (reziduuri de cisteină) sau amine primare (N-terminal, reziduuri de lisină). Semnalul prezenței particulelor nanogoldului® de 1,4 nm poate fi amplificat prin autometalizare cu argint: o expunere scurtă de câteva minute (1-5 minute) le fac vizibile la nivel electronomicroscopic sub forma unor granule de circa 2-20 nm, depinzând de timpul de developare. O developare prelungită (8-25 minute) provoacă un semnal de culoare neagră ușor de detectat în microscopia optică, în imunoblotting (Western blot sau Southern blot). Conjugatele nanogold® penetrează/difuzează ușor în țesuturi, în celule și nucleii acestora. Deși particulele de nanogold® de 1,4 nm pot fi vizualizate direct la o magnificație de circa 100.000 chiar pe secțiuni groase de 80 nm (secțiuni necontrastate), totuși acestea sunt mai ușor vizualizate după o scurtă amplificare cu argint (1-5 minute).

Importanța utilizării anticorpilor conjugați cu aur coloidal în biologie și medicină

Utilizarea anticorpilor conjugați cu aur coloidal, în special în IEM, face posibilă cunoașterea interrelațiilor structură-funcție la nivel subcelular. Identificarea concomitentă a două sau trei molecule de interes pe aceeași secțiune provenită dintr-un specimen biologic normal sau patologic, permite evaluarea la nivel ultrastructural a topologiei acelor molecule investigate. IEM este deosebit de utilă în cazul în care se dorește investigarea proceselor receptor-mediate, al traficului unor molecule care implică diferite infrastructuri celulare etc. Utilizarea concomitentă a IEM și ISH-EM oferă informații pertinente de cunoaștere a relațiilor subtile dintre gene și produșii lor la nivel celular. Având în vedere existența pe piață a unei multitudini de anticorpi conjugați cu aur coloidal capabili să identifice diverse molecule implicate în declanșarea sau susținerea unor maladii, aplicațiile IEM sau IEM plus ISH-EM în patologie pot contribui fundamental la stabilirea diagnosticului și, în acord cu acesta, la evaluarea protocoalelor terapeutice.  

Top

BUCLĂ MICROBIANĂ - MODEL DE EFICIENTIZARE AL FLUXULUI DE MATERIE ȘI ENERGIE  ÎN ECOSISTEME ACVATICE 

Doina Ionică, Mirela Moldoveanu

Institutul de Biologie București, doina.ionica@ibiol.ro 

Abordarea modernă în ecologia sistemică presupune cercetări de lungă durată, la scară spațio-temporală, a ecosistemelor integrate ierarhic în sistemul global - ecosfera.

            Deși, furnizarea de resurse și servicii este o proprietate emergentă a ecosistemelor, realizarea funcțiilor ecologice se bazează pe contribuția directă sau indirectă a multor specii/populații/ghilde/module trofo-dinamice. Procesele ecologice susținute de specii/populații realizează legătura dintre diversitatea biologică și resursele/serviciile generate la nivelul ecosistemelor.

Ecologia microorganismelor nu este un aspect periferic ci unul central al ecologiei. Microorganismele au o largă distribuție în orice tip de ecosistem iar transformările microbiene sunt fundamentale pentru ecosfera. Microorganismele generează modificarea continuă a nișelor  unui ecosistem care sunt permanent ocupate, astfel încât, diversitatea microbiană rămane o componentă permanentă a funcționării ecosistemului (Finlay,1997).

Pentru a caracteriza funcționalitatea unui ecosistem în termeni de flux de materie, energie, informație și cicluri biogeochimice, microorganismele trebuie luate obligatoriu în considerare. Ecologia microorganismelor este strâns legată de ecologia macroorganismelor iar, abordarea de tip holist impune studiul lor integrat în structurile ecologice ierarhice.

            Semnificația buclei microbiene a fost unanim recunoscută atât în ecosistemele marine cât și în cele de apă dulce (Azam et. al, 1983; Pomeroy, 1974). Wetzel a descris bucla ca model al căilor de transfer al carbonului și de ciclare a nutrienților prin componentele microbiene ale comunităților acvatice pelagice.

Bucla microbiană constituie astfel, o cale structurală și funcțională în cadrul rețelei trofice în care carbonul organic dizolvat (COD) este returnat nivelelor trofice superioare via incorporării în biomasa bacteriană.

            Bucla microbiană procesează 33-50% din producția primară fiind o secvență ce implică COD – bacterii – nanoflagelate heterotrofe – ciliate – mezozooplancton. Prin acesta din urmă, rețeaua microbiană este interconectată și paralelă cu rețeaua trofică clasică, reprezentată de fitoplancton - mezozooplancton – pești.

Odată cu dezvoltarea tehnicilor moderne de investigare a populațiilor bacteriene, epifluorescența și FISH, s-a remarcat numărul mare al acestora (106- 109), precum și funcționarea lor nu numai ca descompunători, ci și ca producători prin producția și cantitatea de energie acumulată în biomasa proprie și transferul acesteia spre nivele trofice superioare.

            Procesele desfășurate la nivelul buclei microbiene sunt strâns dependente de tipul de ecosistem acvatic, de condițiile fizico-chimice ale sistemului, de stadiul trofic al acestuia.

 Stabilirea configurației rețelei trofice ale unui ecosistem aflat în stadii succesionale diferite se realizează în sensul maximalizării densității fluxului de energie și a eficienței de utilizare, concentrare și transfer a energiei din biomasa producătorilor primari. În stadii de eutrofie și hipertrofie coexistă trei tipuri de lanțuri trofice interconectate într-o rețea heterogenă în care bucla microbiană procesează cantități importante de energie conținută în detritus, contribuind astfel la deblocarea sistemului (lacuri eutrofe din Delta Dunării, sisteme poluate, ape tropicale).

            În condiții de oligotrofie (mari, oceane, lagune, lacuri alpine, sisteme lotice), la nivelul buclei se transferă atât substanțe organice către nivelele trofice superioare eficientizându-se calea de transfer microbiană a energiei, dar în același timp susținând productivitatea primară destul de scăzută de altfel, prin punerea rapidă la dispoziție de cantități importante de nutrienți fitoplanctonului.

            Monitorizarea integrată a microorganismelor pelagiale din ecosistemele acvatice constituie un instrument important în evaluarea schimbărilor structurale și funcționale de nivel ecosistemic care se reverberează la nivelul sistemului global, Ecosfera. 

Top

STRUCTURI MICROBIENE EXTRAPARIETALE CU IMPLICATII PRACTICE

Anca Voicu

Institutul de Biologie București, anca.voicu@ibiol.ro 

Numeroase organisme procariote sunt înconjurate la suprafață de o matrice de material cu consistență mucoasă, gelatinoasă. Capacitatea de a sintetiza exopolizaharide se întâlnește la peste 70 de genuri și specii de  microorganisme, din rândul bacteriilor, levurilor, fungilor și microalgelor, manifestată diferențiat în funcție de specie, condiții de mediu și precursori.

Interesul științific și practic pentru cercetarea exopolizaharidelor microbiene are câteva motivații, printre care: se produc în condiții controlate, folosind microorganisme selecționate și substraturi ieftine; bioprodușii posedă o înaltă regularitate structurală; se poate obține o gamă largă de polizaharide ionice și neutre foarte specifice, cu o mare varietate de compoziții și proprietăți; varietatea polizaharidelor microbiene nu se regăsește printre polizaharidele vegetale și nu pot fi reproduse prin sinteză chimică. Investigații aprofundate s-au făcut mai ales asupra polimerilor exocelulari bacterieni.

Polizaharidele extracelulare sunt considerate metaboliți secundari ai celulei bacteriene, sintetizați atunci când o sursă de carbon este prezentă din abundență. Deși nu au rol vital pentru celulă, pot avea unele funcții, servind ca o barieră fizică între mediu și celula microbiană. Materialul vâscos-gelatinos de la suprafața celulelor bacteriene încadrat în denumirea acceptată de glicocalix, cuprinde două tipuri de structuri diferențiate prin compoziție, extindere, comportament, semnificație biologică și anume: capsulă și stratul mucos (mucilagiu solubil). Se consideră că multe exopolizaharide sunt sintetizate printr-un mecanism identic sau similar celui implicat în sinteza peretelui celular, deși unele sunt sintetizate exocelular. Sursele de carbon utilizate pentru sinteza lor sunt variate: glucide, hidrocarburi, substraturi petro-chimice, alcooli polihidrici inferiori, metan. Polizaharidele extracelulare pot fi neutre sau anionice, iar pe baza structurii chimice se împart în 2 grupe distincte: homopolizaharide și heteropolizaharide. Unele sunt complexate cu variate grupări funcționale atașate la zaharuri. Structura fizică este multifibrilară, la majoritatea exopolizaharidelor bacteriene dublu helicală.

Polizaharidele extracelulare sau gomele microbiene sunt polimeri solubili în apă (hidrocoloizi), cu largi utilizări ca agenți de îngroșare, gelificare, suspendare, emulsionare, floculare sau coloide protectoare. Comportarea în soluție a acestor bioproduși poate fi: newtoniană, pseudoplastică sau plastică. Datorită proprietăților manifestate, unele exopolizaharide microbiene pot înlocui cu succes polimerii de sinteză chimică în aplicații practice din diverse domenii (ind. alimentară, ind. textilă, chimică, farmaceutică și cosmetică, medicină, biochimia analitică și preparativă, epurarea apelor reziduale, ind. extractivă de țiței, foraje hidrogeologice, agricultură). O serie de exopolizaharide microbiene sunt deja obținute ca produse comerciale, sub diferite denumiri: xanthan, alginat, zanflo, indican, dextran, curdlan, rhizan, pululan, scleroglucan (polytran).

Prezentarea este structurată pe următoarele aspecte: structurile exopolizaharidice din componența glicocalixului – capsula și stratul mucos, evidențierea aceptor structuri la bacterii; structura chimică și fizică (structura primară și secundară) a exopolizaharidelor bacteriene; sinteza exopolizaharidelor; proprietățile exopolizaharidelor; semnificația biologică a exopolizaharidelor bacteriene; aplicații practice ale exopolizaharidelor microbiene în diferite domenii.

Top

APORTUL MICROORGANISMELOR ÎN PROCESE DE REMEDIERE

Mugur Ștefănescu, Doina Cîrstea

Institutul de Biologie București, e-mail: mugur.stefanescu@ibiol.ro 

Abordarea câtorva aspecte legate de bioremedierea zonelor afectate de prezența unor contaminanți biodegradabili, se circumscrie în problematica actuală de protejare a mediului înconjurător.

Bioremedierea constituie un proces complex de tratare a unei zone contaminate, prin utilizarea microorganismelor capabile să metabolizeze anumite substanțe nocive, cu complexitate structurală, reducându-le la compuși mai simpli, biodegrabili, cu un grad scăzut de toxicitate. Studiul unor tulpini bacteriene capabile să sintetizeze metaboliți de tipul enzimelor și a unor substanțe tensioactive de tipul biosurfactanților, ce intervin în formarea nanoemulsiilor, contribuind la procesul de metabolizare a hidrocarburilor sau hidraților de carbon, constituie o altă direcție de abordare a problematicii.

Primele investigații au în vedere identificarea sursei de poluare din mediu, caracterizarea poluanților și gradul de contaminare. Prezența contaminanților determină instalarea unor condiții extreme și ostile care influențează microbiota zonală, ca urmare a modificărilor caracteristicilor fizico-chimice ale arealului afectat. În continuare este analizată microbiologic prezența grupelor fiziologice de bacterii cu potențial biotehnologic (în special bacterii hidrocarbon-oxidante), care ulterior sunt testate în ceea ce privește sinteza de surfactanți și capacitatea biodegradativă, față de hidrocarburile contaminante.

Complexitatea biologică este astfel abordată: pornind de la aspecte macro, reprezentate de mediile extreme și ostile, în toată complexitatea lor, focusând cercetarea prin analize microbiologice de caracterizare, identificare și testare a unor tulpini bacteriene cu capacități degradative față de contaminații din mediu și în final abordarea unor aspecte nano, prin aplicații ale unor tehnici moleculare de identificare bacteriană pe baza genei 16S, prin extracție, amplificare și secvențiere a ADN genomic (tehnica RAPD) și de caracterizare a unor produși de metabolism, privind natura biochimică a moleculelor de surfactanți bacterieni.

Lucrarea de sinteza astfel concepută poate fi considerată un vademecum al tehnologiilor bacteriene de remediere a mediului contaminat, în special cu hidrocarburi petroliere, având drept argument activitatea de cercetare a colectivului de bioremediere din cadrul Centrului de Microbiologie al Institutului de Biologie București.

Top

CARBAMOIL FOSFAT SINTETAZA IN MICROORGANISME HIPERTERMOFILE: FILOGENIE SI TERMOADAPTARE

 Cristina Purcarea

Institutul de Biologie Bucuresti, e-mail: cristina.purcarea@ibiol.ro 

Sinteza carbamoil fosfatului, precursorul comun al căilor de biosinteză a argininei și nucleotidelor pirimidinice, este catalizată de carbamoil fosfat sintetaza (CPS), o enzimă complexă atât din punct de vedere structural cât și al mecanismului de reacție și al sistemelor de reglare allosterică și metabolică. Identificarea și caracterizarea CPS provenind din organisme care trăiesc la temperaturi în jur de 100°C au pus în evidență noi forme corespunzătoare etapelor intermediare ale evoluției filogenetice a acestei enzime, precum și un ansamblu de mecanisme moleculare de adaptare la temperaturi înalte la nivel structural și funcțional.

Structural, CPS este un heterodimer alcătuit din subunitățile glutamin amidotransteraza / glutaminaza (GLN) și sintetaza (SYN), aceasta din urmă conținând două domenii omoloage rezultate în urma unor procese de duplicare și fuziune. In organismele eucariote, cele doua subunități ale CPS sunt fuzionate, mamiferele conținând o proteină multifuncțională rezultată în urma fuziunii acestei CPS cu aspartat transcarbamoilaza (ATC) și dihidroorotaza. Explorarea nișelor extremofile a evidențiat în genomul archaeelor și eubacteriilor hipertermofile prezența unor forme de tip ancestral la nivelul enzimelor implicate în sinteza carbamoil fosfatului. Astfel, CPS din Methanococcus jannaschii și Aquifex aeolicus constituie heterotrimeri care conțin subunități distincte SYN1 și SYN2 corespunzătoare celor două domenii ale subunității SYN, codate de gene separate și nestructurate într-un operon. In procesul evolutiv, acest tip de enzimă reprezintă o etapă anterioară procesului de fuziune care a generat subunitatea SYN de tip bacterian.  In unele organisme în care CPS este absentă, reacția de  sinteză a carbamoil fosfatului este catalizată de o enzimă catabolică, carbamat kinaza (CK), ale cărei structură și mecanism de reacție sunt diferite de cele ale CPS. Surprinzător, un nou tip de enzimă intermediar celor doi catalizatori ai carbamoil fosfatului, având o structură de tip CK și un mecanism de reacție de tip CPS, a fost pus în evidență în archaeonul hipertermofil Pyrococcus abyssi.

Temperaturile ridicate ale habitatelor microorganismelor hipertermofile au determinat o serie de adaptări moleculare atât la nivel structural și funcțional al enzimei, cât și la nivelul căii metabolice pentru protecția metaboliților termolabili.  Studiul unor CPS din organisme (hiper)termofile relevă stabilitatea intrinsecă remarcabilă la temperaturi ridicate a acestor enzime. Aceasta poate fi corelată la nivelul compoziției în aminoacizi cu prezența unor interacții ionice și hidrofobe suplimentare față de omologii mezofili la nivelul situsului activ și al interfeței dintre subunități. Pe de altă parte, stabilitatea acestor CPS este parțial extrinsecă, datorată asocierii dintre subunități enzimatice și/sau dintre enzime (CPS-ATC). Procesul catalitic prezintă de asemenea adaptări pentru desfașuararea etapelor la temperaturi înalte. Parametrii cinetici indică o afinitate aparentă ridicată pentru substratele termolabile, ATP și glutamina. Reglarea allosterică a activității acestei enzime este la rândul ei influențată de temperatură, în funcție de termostabilitatea derivaților nucleotidici cu efect inhibitor. In plus, prezența unei reglări metabolice prin fosforilare/defosforilare la nivelul CPS din A. aeolicus marchează identificarea uneia dintre cele mai primitive căi de semnalizare identificate, având rol de atenuare a efectului inhibitor și activator al UTP și, respectiv, ornitinei.

In cazul acestui sistem enzimatic, termoadaptarea vizează de asemenea protecția termică a produșilor intermediari termolabili prin tranferul direct (channeling) al carbamoil fosfatului între enzimele care inițiază cele două căi metabolice implicate, ale argininei și nucleotidelor pirimidinice. Astfel, în cazul microorganismelor hipertermofile a fost pus în evidență transferul direct parțial al carbamoil fosfatului între enzimele de cuplaj CPS-ATC și CPS-ornitin transcarbamoilaza (OTC) care are loc în urma asocierii enzimatice tranzitorii.  Acest proces împiedică contactul metabolitului termolabil cu mediul celular a cărui temperatura în jur de 100°C ar provoca degradarea sa rapidă, contribuind astfel la sinteza eficientă a argininei și a pirimidinelor la temperaturi ridicate și impiedicând formarea de cianat, produs toxic pentru celulă.

Strategiile structurale și funcționale ale acestui sistem enzimatic pentru funcționare optimă în condiții extreme de temperatură și în cadrul organismelor cu material genetic redus oferă elemente cheie în descifrarea mecanismului de reacție, a rolului unităților structurale (aminoacid, domeniu, subunitate, enzimă) în sinteza precursorului argininei și pirimidinelor, precum și a evoluției filogenetice a acestei clase de enzime și a căilor metabolice implicate.

 Top

DIVERSITATEA STĂRILOR  FIZIOLOGICE ALE PROCARIOTELOR MARINE : COMPLEXITATEA UNOR  STRUCTURI  ȘI PROCESE  LA NIVEL NANO (10-9), MICRO (10-6) ȘI MEGA (106)

Ioan I. Ardelean

Institutul de Biologie București, ioan.ardelean@ibiol.ro 

Scopul acestei prelegeri este de a vă prezenta câteva aspecte esențiale ale microbiotei marine cu accent pe două direcții de cercetare de mare actualitate în microbiologia marină/oceanografia microbiologică:

A) Diversitatea stărilor  fiziologice ale procariotelor în mediul marin

B) Ordinele de mărime foarte mari în timp și spațiu (de la 10-9 la 106 sau mai mult) ale unor structuri și procese microbiene (la nivel individual, populațional și de biom) esențiale pentru trecutul, prezentul și viitorul circuitelor biogeochimice în mediul marin, pentru viitorul sănătos al planetei noastre.

 A) În ultimii ani  s-a ajuns la concluzia, aproape unanim acceptată, conform căreia procariotele nesporulate se pot găsi în mediile naturale, inclusiv în mediul marin,  într-una din următoarele cinci situații posibile, definite pe baze logice și metodologice:

1.      Celule viabile și capabile de creștere și multiplicare; fiecare dintre aceste celule este capabilă să formeze o colonie pe medii adecvate. Aceste celule sunt singurele care pot fi puse în evidență și cuantificate prin metodele dependente de creștere și multiplicare.

2.      Celule rănite (injured). Aceste celule nu pot fi puse în evidență și cuantificate prin metodele dependente de creștere și multiplicare deoarece nu sunt capabile să formeze colonii pe medii adecvate deși celulele sunt intacte morfologic și active metabolic .

3.      Celule care hibernează (dormand) au morfologie celulară intactă dar, spre deosebire de celulele rănite, nu sunt active metabolic (sau au un metabolism extrem de scăzut). În această stare  celule nu pot fi  cuantificate prin metode bazate pe creștere și multiplicare.

4.      Celule active dar necultivabile. Sunt celulele active metabolic dar care sunt incapabile de creștere și multiplicare celulară pe mediile și în condițiile cunoscute la ora actuală. Prin dezvoltarea tehnicilor și mediilor de cultivare, procariote inițial necultivabile au putut fi cultivate în laborator .

5.      Celulele moarte, care nu mai sunt intacte din punct de vedere morfologic, nu au niciun fel de activitate metabolică și evident nu cresc și nu se multiplică. Aceste celulele moarte la care conținutul citoplasmei, inclusiv materialul genetic, se găsește încă în interiorul celulei bacteriene pot fi evidențiate prin colorare cu acridin orange sau alte substanțe care evidențiază materialul genetic.                                                    

Celulele care la un moment dat sunt ranite sau hiberneaza pot redeveni cultivabile prin:

i)                    Recreștere;

ii)                   Inițierea cu succes a unor procese de reparație genetică;

iii)                 “Trezirea” celulelor care s-au aflat în stare de latență sau hibernare ;

iv)                  prin resuscitare (resuscitation) care constă în redobândirea capacității de a forma  colonii (prin creștere și multiplicare celulară) pe un anumit mediu. De exemplu în cazul lui Micrococcus luteus resuscitarea celulelor incapabile de diviziune are loc în prezența celulelor din aceeași specie, viabile și capabile de diviziune, care sintetizează și eliberează în mediul extracelular  feromoni care induc fenomenul de resuscitare.

 

În corelație cu unele dintre aceste stări și ale tranzițiilor dintre ele, unele dintre componentele ultrastructurale ale diferitelor tipuri de procariote marine, suferă modificări  fie ale dimensiunilor fie ale numărului de exemplare care se găsesc într-o singură celulă.

Astfel, capsula bacteriană, în condiții oligotrofe, își modifică dimensiunile  putând  urma două direcții diferite:

a)      în cazul celulelor  care ramân individuale, odată cu deteriorarea condițiilor trofice, capsula nu mai este reînnoită, ceea ce face ca, bacteriile care în condiții naturale normale sunt capsulate, în condiții de înfometare prelungită (sau de îmbătrânire celulară) sa nu mai prezinte capsulă. Această caracteristică ultrastructrurală este fundamentul unei metode ingenioase care diferențiază bacteriile marine viabile (care au capsulă) de cele neviabile (care nu au capsulă), majoritatea bacteriilor marine fiind capsulate.

b)      În cazul celulelor care pot forma agregate, capsula-glicocalixul, crește în dimensiuni consolidând mecanic mai multe celule bacteriene cu formare la interfața solid/lichid  de biofilme bacteriene. De remarcat formarea unor asemenea ansambluri bacteriene și în cuprinsul masei de apă, unde bacteriile nu mai au în aceste condiții o distribuție uniformă la nivel microscopic. Aceste ansambluri planctonice de bacterii, nu mai pot fi consumate de către flagelatele heterotrofe tocmai datorită dimensiunilor mari, cea ce le conferă un avantaj în viața reală în mediul marin . Atenție, dacă dimensiunile cresc în continuare, aceste ansambluri bacteriene pot fi consumate de către alte organisme bacteriovore, specializate pe ingestia unor  particule alimentare de aceste dimensiuni  (și care în mod normal nu se hrănesc cu  celule bacteriene individuale).

 

Alte componente precum ribosomii, în condiții de înfometare nu-și modifică dimensiunile (dimensiunile subunității mari și ale celor mici sunt invariabile) dar  numărul lor scade foarte dramatic, astfel că și numărul de molecule de ARNmesager scade, corespunzător  ratei  limitate a biosintezei ribosomale a proteinelor în aceste condiții.

Dimensiunile celulei bacteriene pot varia  în cadrul indivizilor aceleiași specii/populații în funcție de concentrațiile diferiților nutrienți prezenți în acel mediu la un moment dat. În condiții de înfometare, sunt specii bacteriene care sunt în continuare capabile de diviziune (la intervale mari de timp) deși celula nu mai crește în dimensiuni; în consecință, în urma diviziunii ,cele  două celule fiice sunt practic la jumătatea volumului celulei mamă, formându-se astfel celule bacteriene de dimensiuni foarte mici. Aceste celule miniaturizate sunt considerate a fi în stare de latență. Procesul de miniaturizare reflectă diversitatea dimensiunilor uneia și aceleiași specii bacteriene, conferind o modalitate de supraviețuire și propagare în  condițiile ostile ale unor medii naturale;  de exemplu, miniaturizarea este  o modalitate  prin care procariotele evită microorganismele bacteriovore, cum ar fi flagelatele heterotrofe.

Exista în mediul marin procariote care, în mod normal, când metabolismul lo reste foarte intens au celula de dimensiuni foarte mici comparativ cu dimensiunile tipice ale unei celule procariote (de ordinul micronilor). Astfel, cianobacteria Procholorococcus  la care  celula este de dimensiuni foarte mici (în jur de 0,6µm=600nm) este la ora actuală cel mai mic organism fotosintetic capabil de fotosinteză oxigenică și totodată cel care însumează cel mai mare număr de indivizi biologici.În consecință,  dimensiunile foarte mici ale unor procariote marine nu indică în mod automat o stare de latență, existând și excepții, precum Procholorococcus sau alfa-proteobacteria Pelagibacter ubique (SAR11) care sunt foarte active metabolic și sunt reprezentate de populații printre cele mai numeroase în mediul marin, cu impact semnificativ cantitativ  în circuitul biogeochimic al elementelor chimice pe planeta noastră.

B) Scala de timp la care au loc diferite procese metabolice  și impactul geologic al acestor procese metabolice, este foarte mare. De exemplu, procesele fotochimice în fotosinteză sunt de ordinul microsecundelor iar circuitul carbonului întreținut de către procesul de fotosinteză prin ramura sa de  pompare  biologică  a carbonului în adâncul oceanului are loc la nivel de sute de ani!  Scala de spațiu la care au loc diferite procese metabolice și impactul geologic al acestor procese metabolice  este deasemenea foarte mare. Aminteam de cianobacteria Procholorococcus  cel mai mic organism fotosintetizant oxigenic care, datorită populațiilor uriașe pe care le realizează pe suprafețe foarte întinse, poate fi detectat optic  la nivel populațional din spațiul cosmic, spre deosebire de o balena care nu poate fi  vizualizată în acest mod!

 Top

COMPLEXITATEA STRUCTURALĂ A PERETELUI CELULAR LA FUNGI

 

Ioana Gomoiu, Daniela Mogîldea

Institutul de Biologie București,  ioana.gomoiu@ibiol.ro  

             Celula fungică este în prezent un model de studiu pentru structura și funcțiile peretelui celular (PC) la organismele eucariote. Peretele celular este esențial pentru creșterea și supraviețuirea fungilor, menținerea viabilității sporilor, în mediile specifice pentru diferitele categorii taxonomice.

            Componenta majoră a PC este reprezentată de 1,3-β-glucan dar în funcție de specie se poate adăuga 1,3-α-glucan sau 1,6-β-glucan.

            Chitina este un homopolimer format din resturi de N-acetilglucosamină legate β-1,4 și se găsește în cantități mici la levuri (1-2% din greutatea uscată) sau mari la fungii filamentoși (10-3-% din greutatea uscată). Aceste componente formeză o rețea microfibrilară care conferă celulei rigiditate.

În  rețeaua de microfibrile  sunt integrate și manoproteinele care participă la menținerea integrității PC. La levuri, manoproteinele legate non-covalent, covalent, GPI (glicosil fosfatidil inositol) ancorate în PC sunt esențiale pentru supraviețuire în diferite condiții de mediu. La Candida albicans, s-au pus în evidență două gene alele cu rol în asamblarea PC. În cazul deleției genei ROT1 are loc modificarea morfologiei celulei, reducerea conținutului de glucan, creșterea celui de chitină și imposibilitatea legării manoproteinelor GPI în peretele celular.

Legarea β glucanului și a chitinei de către calcofluor a avut drept consecință cristalizarea microfibrilelor, reducerea ratei de creștere, liza la nivelul vârfurilor hifale și reducerea ritmului de încorporare a manoproteinelor.

Creșterea fungilor este unipolară. Peretele existent în vârful hifal are rolul de matriță în care se integrează “materialul nou” în punctele de creștere. În vârfurile hifale, presiunea hidrostatică internă (turgor) are în mod normal numai câteva atmosfere iar forța sa este egală în toate direcțiile. Turgor se poate modifica dar efectul direct asupra creșterii nu este întotdeauna exprimat. În consecință, rolul major revine atât reglării locale la nivelul PC cât și proprietăților citoscheletonului. Peretele vârfului hifal trebuie să își exercite funcțiile de elasticitate și extensibilitate și să integreze noile componente cu rol structural. Ruperea este prevenită prin prezența microfibrilelor de actină susținute de glicoproteinele (conținând treonină și serină transmembranare). În celulele poziționate sub vârful hifal, PC este considerat a fi matur și inextensibil, cu legături încrucișate și stabile între componente. În perioada de maturare, microfibrilele de chitină se leagă chimic stabil în matricea structurală. La Aspergillus nidulans, zona majoră de creștere apicală este dispunsă pe lungimea de 3μm. La rata de creștere 0,2-0,5 μm min-1 maturarea PC este completă când celula apicală are lungimea de 6μm.

Ramificarea echivalează cu formarea unui nou vârf hifal dintr-un PC matur care a devenit extensibil prin acțiunea enzimelor (ex.endoglucanaze). La Aspergillus nidulans,  vâscoelasticitatea a fost pusă în evidență prin cercetările de microscopie cu forță atomică atât în vârfurile hifale cât și în vârfurile ramificațiilor (celule active din punct de vedere al creșterii biologice și al colonizării substratului).

Septul transversal este structura care apare la sfârșitul mitozei și separă noua ramificație de celula generatoare. Sinteza chitinei este esențială pentru formarea septului. La levuri s-a identificat gena Bni4p cu rol în asamblarea chitinei, arhitectura și integritatea septului. Deleția genei  Bni4p determină modificarea distribuției chitinei atât în PC cât și în septul transversal. În absența sintezei chitinei, levurile formează “muguri” dar dispunerea celulelor este liniară ca urmare a faptului că citoplasma celulelor nu este complet separată.

În prezența unor factori fizici și chimici, integritatea celulei poate fi profund afectată. La fungi s-a pus în evidență faptul că, homeostazia PC este programată iar celula își modifică metabolismul (datorită versatilității acestuia) pentru a rezista condițiilor nefavorabile. Astfel, Saccharomyces cerevisiae, deține gena (WSc1p) pentru sinteza unei proteine  care acționează ca senzor pentru formarea unor legături chimice care sporesc integritatea PC.

Condițiile de stres care tind să afecteze integritatea structurală a peretelui hifal determină răspunsul numit mecanism compensatoriu (Brmejo și colab., 2008). Acesta contribuie la salvarea celulei prin: creșterea conținutului de β glucan și chitină, modificări ale arhitecturii peretelui celular (alte tipuri de legături chimice, creșterea conținutului unor proteine, relocalizarea unor proteine cu rol structural).

Proprietăți ca aderarea și recunoașterea substratului sunt dependente de existența unor proteine. Astfel, Candida albicans, deține gena (Ecm33p) care codifică informația genetică pentru sinteza proteinei GPI care se leagă de alte două proteine din PC și în această configurație asigură integritatea și virulența.

Caracteristica de bază a suprafeței celulei este adaptarea. Peretele celular tinde să își mențină funcția de bază la fel ca și organitele, dar trebuie să evolueze mai rapid datorită expunerii directe și permanente la forțele selective biotice și abiotice.

O modalitate de a testa relația cauzală dintre evoluția peretelui celular și celula ca întreg este de a studia conservarea componenților macromoleculari ai acestuia. Cavalier-Smith (2004) consideră că peretele celular fungic rezultă din pereții care conțin chitină ai chiștilor ancestrali ai protistelor, caracterizați printr-o mare rezistență la uscăciune. În prezent, pereți celulari cu un conținut ridicat în chitină s-au pus în evidență la Entamoeba, Phytophtora și Giardia.

Unii fungi conțin în PC proteine comune și altor eucariote. Dintre acestea menționăm glicosilazele, proteazele, proteinele necesare pentru sinteza GPI, proteine Pri, chaperone, ceea ce dovedește originea lor ancestrală. Se consideră că genele corespunzătoare reprezintă expresia genetică conservată a unor activități metabolice implicate în formarea peretelui celular.

Unele proteine conservate ale fungilor au homologi și în lumea plantelor: glucosidaze (Dse4, Spr1, Exg1), manosidaze care participă la biogeneza glicoproteinelor (Mns1, Mnl1) și a subunităților Fks β-1,3-glucan sintetaza.

Enzimele cu rol în sinteza chitinei sunt de asemenea bine conservate. Astfel, două enzime (chitin diacetilaze) implicate în calea de biosinteza N-acetilglucosaminei (Gfa1 și YMR84w) sunt conservate la ascomicete și bazidiomicete. Homologia enzimelor și a procesului de sinteză a chitinei la fungi, metazoare, amoebozoare și chromalveolate susține originea ancestrală și continuitatea rolului pereților celulari ai eucariotelor.

 Top

STRUCTURI CRISTALINE DE SUPRAFAȚĂ (STRATUL S), COMPONENTE ALE ÎNVELIȘULUI CELULAR LA PROCARIOTE (BACTERIA ȘI ARCHAEA), CU IMPACT ÎN NANOBIOTEHNOLOGII

Gabriela Popescu, Lucia Dumitru

Institutul de Biologie București, gabriela.popescu_teodosiu@ibiol.ro

 Diferitele structuri ale învelișului celular de la organismele procariote (Archaea și Bacteria), în special straturile externe expuse mediului extracelular, reflectă adaptările specifice ale acestor microorganisme la un spectru larg de factori de selecție, dobândite în cursul evoluției (Sleytr și Beveridge, 1999; Sleytr et al., 1993).

Termenul “S-layer” (strat S) este utilizat pentru descrierea rețelelor cristaline bidimensionale ale subunităților proteice, care formează straturile de suprafață ale celulei procariote (Sleytr și colab.,1988).

Straturile cristaline ale învelișului celular (S-layers) au fost identificate la diferite microorganisme aparținând tuturor grupelor filogenetice majore ale domeniului Bacteria și de asemenea, reprezintă o trăsătură esențială la Archaea (Murray, 1993).

În prezent, stratul S este recunoscut ca unul dintre componentele comune ale învelișului celular la organismele procariote, fiind alcătuit dintr-un singur tip de proteină sau glicoproteină, cu capacitatea de a se asambla într-o rețea monomoleculară (Messner și Sleytr, 1992; Sleytr și colab. 1996).

La majoritatea microorganismelor din domeniul Archaea, stratul S reprezintă componenta unică a învelișului celular lipsit de peptidoglican și apare frecvent integrat în bistratul lipidic membranar (Sleytr, 1997; Sara și Sleytr, 2000; Eichler, 2003). La bacteriile Gram-pozitive și la Archaea Gram-pozitive, rețeaua stratului S este atașată de o matrice rigidă, compusă din peptidoglican și respectiv, pseudomureină. În cazul bacteriilor Gram-negative, stratul S este legat de lipopolizaharidele componente ale membranei externe.

În cursul dezvoltarii celulei bacteriene, asamblarea rețelelor cristaline proteice de suprafață reprezintă un proces continuu, care se realizeaza în același timp cu cresterea celulară (Sleytr et al., 1999).

Din punct de vedere structural, straturile S au o grosime de 5 - 25 nm și sunt alcătuite din unități identice dispuse sub formă de rețea, care determină formarea unor pori identici ca morfologie și mărime. În general, mărimea porilor este de 2-8 nm (chiar 10 nm) și aceștia pot ocupa până la 70 % din suprafață. Aceste caracteristici justifică încadrarea acestor structuri în domeniul nanobiomaterialelor.

Pe baza simetriei determinată de modul de aranjare a subunităților, straturile S pot fi clasificate în straturi S cu simetrie oblică, pătrată, hexagonală (predominantă la Archaea). În funcție de numărul subunităților componente ale unei unități componente de bază, se disting straturi S cu simetrie de tip p1, p2, p3, p4 și p6, în care unitățile morfologice sunt alcătuite din una, două, trei, patru și respectiv, șase subunități identice (Pum și Sleytr, 1995).

Analizele chimice ale straturilor S de la unele cianobacterii și microorganisme archaeane au arătat că acestea sunt compuse dintr-un singur tip de proteină sau glicoproteină cu greutate moleculară cuprinsă între 40 - 170 (200) KDa (Sleytr et al., 1993).

Straturile S conțin cantități crescute de glucoză, acid glutamic, acid aspartic și lizină. În structura straturilor S, predomină aminoacizii hidrofobi (aproximativ 40-60 mol %) iar conținutul în arginină, histidină, metionină este scăzut. Aminoacizii care conțin sulf (cisteina) lipsesc sau se găsesc în cantități reduse. Proteinele straturilor S de la numeroase microorganisme archaeane pot prezenta lanțuri carbohidrate legate covalent, compuse din 20-50 unități conținând hexoze neutre, pentoze, heptoze, 6-deoxihexoze, aminozaharuri.

Aceste straturi superficiale conferă microorganismelor o serie de avantaje deoarece îndeplinesc anumite funcții importante pentru celule: au rol de înveliș protector, de sită moleculară cu rol important în ultrafiltrare, de canal ionic și sunt structuri implicate în interacțiile suprafeței celulare și în determinarea formei celulare (la Archaea) (Sara și Sleytr, 2000).

Subunitățile straturilor S izolate de la o varietate de microorganisme, au capacitatea de a se reasambla în suspensie, pe filme lipidice, pe liposomi sau pe suporturi solide (polimeri ca de exemplu, polistiren; metale; plăci de siliciu; celuloză; grafit; mică) într-o rețea monomoleculară identică cu cea observată în celulele intacte (Sleytr, 1975; Sleytr și Messner, 1989, Beveridge și Graham, 1991).

Capacitatea proteinelor straturilor S de a recristaliza în monostrat este o trăsătură cheie pentru o gamă largă de aplicații în biotehnologie, nanotehnologie și biomimetică, ca de exemplu: obținerea de membrane de ultrafiltrare, imobilizarea unor molecule funcționale (enzime, anticorpi, liganzi), obținerea de dispozitive bazate pe straturi S (care pot fi utile în diagnosticul diferitelor tipuri de alergii), construcția de biosenzori (dispozitive care detectează sau măsoară prezența anumitor molecule: ADN, antigene, etc), obținerea de vaccinuri conjugate și de matrice pentru biomineralizare controlată Pum și Sleytr, 1999).

Studii realizate la nivel international privind structura, chimia, genetica, asamblarea și funcțiile straturilor S, au evidențiat potentialul considerabil al utilizării acestora pentru constituirea de rețele regulate în biotehnologie, biomimetică, biomedicină și nanotehnologii moleculare.

În cadrul Centrului de Microbiologie al Institutului de Biologie au fost realizate cercetări care au avut ca scop izolarea straturilor S de la unele tulpini de microorganisme archaeane extrem halofile, caracterizarea biochimică (gradul de hidrofobicitate, sarcina de suprafață, dezintegrarea în subunități proteice și caracterizarea electroforetică a acestora), evidențierea directă a  rețelei cristaline proteice prin observații de microscopie electronicã și testarea adeziunii proteinelor stratului S la suporturi nanostructurate pe bază de siliciu. Rezultatele obținute prin metodele indirecte de evidențiere utilizate (caracterizarea biochimică) au demonstrat prezența stratului S la tulpinile haloarchaeane testate și au indicat izolarea acestuia. Studiile de microscopie electronică au permis evidențierea directă a rețelei cristaline proteice din structura stratului S și au confirmat izolarea acestuia de la tulpinile haloarchaeene, precum  și atașarea proteinelor stratului S la plăcuțele de siliciu testate.

Top

ASPECTE ALE COMPLEXITĂȚII BIOLOGICE DIN LACURILE SĂRATE

Mădălin Enache

Institutul de Biologie București, madalin.enache@ibiol.ro 

Interesul relativ redus acordat studiului apelor sărate este argumentat prin faptul că acestea, au fost privite până de curând, ca ecosisteme ce se abat de la tipul normal, fiind considerate medii sterile și lipsite de forme de viață, cu importanță economică redusă și cu potențial științific scăzut. Studii recente, au dovedit contrariul și au arătat că lacurile sărate pot avea potențial economic, comercial, științific și se caracterizează printr-o biodiversitate bogată, de cele mai multe ori endemică.

În prezent, pot fi identificate două tipuri principale de ape sărate: apa mărilor și oceanelor și lacurile sărate continentale fără legătură directă cu mediul marin. Acestea din urmă sunt cunoscute și ca ape atalazohaline sau epicontinentale. Salinitatea apelor continentale este reprezentată de concentrația totală a sărurilor dizolvate. Apele cu conținut relativ ridicat de sare sunt usor de identificat, în principal după gustul sărat care nu caracterizează și apele cu conținut mai scăzut de sare. O serie de observații biologice și de natură fizico-chimică susțin că sub o valoare a salinității de 3 g/L apele pot fi considerate ape dulci, iar peste această valoare pot fi considerate ape sărate. Din punct de vedere chimic, salinitatea este principala caracteristică a lacurilor sărate cu influențe importante pentru alte trăsături fizico-chimice și biologice.

În termeni biologici, lacurile sărate sunt privite în mod curent ca habitate cu biodiversitate redusă, diferite de alte tipuri de lacuri. În acest context, trebuie precizat că biota adaptată lacurilor sărate nu poate fi considerată extremă în aceste lacuri, în acest caz condițiile din afara lacului fiind extreme pentru biota “extremă”. Pe de altă parte, chiar dacă biodiversitatea din lacurile sărate este mai redusă decât cea prezentă în mod firesc în lacurile dulci, o varietate largă și un număr mare de specii se regăsesc în lacurile sărate, în special cele cu o salinitate moderată. Similar lacurilor dulci sau altor ecosisteme și în lacurile sărate se desfășoară procesele ecologice care caracterizează un ecosistem (producție, descompunere, ciclul nutrienților, etc.).

Aproape toate grupele caracteristice descoperite în apele dulci pot fi identificate și în apele sarate. Desigur, speciile, genurile și uneori familiile nu sunt aceleași, dar, în ansamblu, biota lacurilor sărate nu este diferită în compoziție de cea a apelor dulci.

Habitatele hipersaline oferă condiții preferate de arheele halofile, alte organisme neavând capacitatea de a se adapta. Până în prezent 27 de genuri cu peste 100 de specii au fost publicate și validate, dar xistă un număr considerabil de specii (secvențe genice) publicate dar nevalidate. Acest aspect evidențiază diversitatea bogată prezentă în medii hipersaline, privite până nu de mult ca incompatibile cu viața. Cunoscute generic ca și halobacterii ele sunt organotrofe aerobe, unele specii utilizând bacteriorodopsina pentru a conduce anumite procese metabolice. Datorită pigmenților carotenoizi (în principal bacterioruberine) coferă apelor culoare în variate nuanțe de roșu – portocaliu. În lacurile sărate sunt întâlnite și o serie de eubacterii. Cele mai importante sunt fototrofe (bacterii purpurii, cianobacterii) dar se regăsesc și o serie de eubacterii cu alt tip de nutriție. Ele utilizează forme diferite ale bacterioclorofilei ca pigment care să absoarbă energia luminoasă. Au fost identificate specii aparținând genurilor Rhodospirillum, Chromatium, Ectothiorhodospira, Prostecochloris.

Asupra prezenței bacteriilor în lacurile sărate se impune o mențiune cu privire la stromatoliți. Aceștia sunt fosile sau structuri vii formate dintr-un ansamblu de bacterii și sedimente. Cel mai adesea laminate, sunt printre cele mai cunoscute fosile ale organismelor (unele dintre ele cu vârsta de circa 3 miliarde ani) și par a fi limitate la apele marine de coastă și lacurile sărate. Structuri similare stromatoliților sunt cunoscute și din diferite lacuri sărate de natură antropică (precum și din localități de coastă). Elementele biologice ale celor mai vechi stromatoliți sunt bacteriile purpurii și verzi, cianobacterii.

Dintre alge, în lacurile hipersaline, Dunaliela salina este întâlnită frecvent, importanța ei din punct de vedere economic fiind conferită de capacitatea de a produce carotenoizi. Speciile de Artemia sunt cele mai cunoscute crustacee adaptate la condițiile de viață oferite de apele hipersaline.

Lacurile sărate pot fi asociate atât unor valori economice cât și de altă natură. Ele pot constitui rezerve și surse de minerale și alți produși cu largă aplicabilitate industrială, pot fi surse de apă, de energie, pot constitui medii naturale în care să fie cultivate specii (bacterii, alge) care produc metaboliți cu importanță economică (proteine, pigmenți). Aceste lacuri pot fi utilizate în scopuri terapeutice, pentru investigații științifice iar pentru comunitățile care s-au dezvoltat în jurul lor sunt asociate și unor valori culturale și educaționale.  

Top

MICROSPORIDIILE – UN „MICRO-UNIVERS” ÎN EXPLORARE CONTINUĂ

Doina Codreanu-Bălcescu

Institutul de Biologie București, doina_cb@yahoo.co.uk 

În clasificările actuale, Microsporidia Balbiani, 1882 reprezintă o subunitate de rangul II printre Opisthokonta, una din cele 6 super-grupe de Protiste (Adl et al., 2005). Sunt eucariote unicelulare, obligatoriu parazite intracelular și cuprind peste 150 genuri și 1200 specii, care infectează teoretic toate filumurile animale, de la protozoare (Apicomplexa, Ciliophora) la metazoare (Myxozoa, Coelenterata, Plathelminthes, Nematoda, Bryozoa, Annelida, Mollusca, Arthropoda, Vertebrata), cu cea mai mare distribuție la artropode și pești osoși (Hausman, Hülsmann, Radek, 2003; Larsson, 2005; Vossbrinck și Degrunner-Vossbrinck, 2005).

Microsporidiile au generat un interes foarte mare și din cauza genomului lor redus și compact, iar studiile comparative moleculare și filogenetice continuă să sprijine o relație între Microsporidii și Fungi.

Microporidiile parazite la om

De când au fost descoperite ca producând o diaree persistentă și o boală sistemică la pacienții SIDA, interesul biomedical asupra acestor organisme a crescut extraordinar (Desportes et al., 1985). Recunoașterea microsporidiilor ca o cauză a infecțiilor oportuniste la pacienți SIDA a crescut mult aprecierea acestor organisme și a abilității lor de a se adapta și infecta un cerc larg de animale, inclusiv omul.

Au fost identificate până în prezent 14 specii (aparținând la 8 genuri), ca agenți infecțioși la om; cele mai prevalente sunt Enterocytozoon bieneusi și membrii familiei Encephalitozoonidae (Didier și Weiss, 2008). Microsporidiile au fost recunoscute ca patogeni emergenți și oportuniști asociați cu un cerc larg de sindroame clinice la persoanele cu HIV/SIDA, călători, copii, primitori de transplante de organ, persoane mai vârsnice. Infecțiile sunt adesea trecute cu vederea, din cauza dimensiunii reduse a agentului infecțios. Albendazolul este eficient în tratarea infecțiilor cu Encephalitozoon spp., dar nu se cunosc medicamente eficiente pt. infecțiile cu E. bieneusi. Această din urmă specie este dificil de studiat, deoarece lipsesc culturile de țesuturi și modelele animale mici care să simuleze infecțiile umane.

Încă se dezbate dacă infecțiile cu microsporidii rămân persistente la indivizii asimptomatici imuno-competenți, se reactivează în condiții de imuno- compromitere, sau se transmit la alți oameni în situații de risc, așa cum sunt graviditatea sau donarea de organe.

Sunt necesare metode de diagnostic serologic de încredere, care să suplimenteze PCR sau histochimia, în cazurile când eliberarea sporilor poate fi sporadică. Metodele de diagnostic îmbunătățite sunt necesare pentru a releva un larg cerc de infecții și ca să ajute în stabilirea profilurilor moleculare epidemilogice pentru definirea surselor și modurilor de transmitere la om. Există interese despre potențiala transmitere prin apă sau alimente.

Cunoașterea completă a genomului de Encephalitozoon cuniculi (Katinka et al., 2001) și studiile în curs asupra genomurilor la Anncaliia (syn. Brachiola, Nosema) algerae, Spraguea lophii, Antonospora (syn. Nosema) locustae și E. bieneusi au permis adâncirea cercetărilor în genomica, proteomica și biologia fundamentală a microsporidiilor (Keeling et al., 2005; Texier et al., 2005). 007) și se așteaptă ca analizele comparative genomice și proteomice care se continuă să producă informații adiționale despre filogenia și taxonomia microsporidiilor (Tzipori, 2007).

De asemenea, studiile curente asupra genomicii și proteomicii comparative a microsporidiilor vor putea produce noi lămuriri asupra biologiei microsporidiilor și să promoveze dezvoltarea unei prevenții eficiente și strategii terapeutice.

Sporul microsporidian

Spre deosebire de sporii bacterieni, care sunt generați în răspunsul la condițiile de stres din mediul înconjurător, sporii de microsporidii se dezvoltă ca un stadiu matur și infecțios al ciclului biologic. Ca și sporii bacterieni, sporii de microsporidii sunt rezistenți și supraviețuiesc perioade lungi de timp în mediul înconjurător. Sporii de microsporidii care infectează mamiferele sunt relativ mici (1-3 µm x 1,5-4 µm).

Peretele sporului este constituit dintr-un un strat extern glicoproteic (exospor) și un strat intern chitinos (endospor) (Southern et al., 2007). La acest nivel s-au identificat mai multe proteine, incluzând Swp1, Swp2, Swp3 (En P2) și EnP1 (Peuvel-Fanget et al., 2006; Xu et al., 2006); unele dintre acestea (ca de ex. EnP1) pot fi implicate în adeziunea peretelui sporal la celulele gazdă sau mucină, prin aceasta jucând un rol în procesul de invazie.

Citoplasma (sporoplasma) consistă din: un nucleu în aranjament monocariotic sau diplocariotic, un disc de ancorare anterior, un polaroplast membranos lamelar, care pare a include un aparat golgic atipic, vezicule polare care ar putea fi mitocondrii reduse, denumite mitosomi, reticulum endoplasmic, ribosomi și o vacuolă posterioară (Vavra și Larsson 1999; Burri et al., 2006; Beznoussenko et al., 2007).

Sporul microsporidian posedă un aparat invaziv compus dintr-o structură foarte specializată, unică în lumea eucariotică, tubul polar, reprezentând unul dintre cele mai sofisticate mecanisme de infecție. Tubul polar apare ca emergent din discul de ancorare și apoi se înfășoară de numeroase ori în interiorul părții posterioare a sporului. O schimbare în presiunea osmotică, având ca rezultat umflarea vacuolei posterioare, cauzează extruzia bruscă a tubului polar, urmată de transferul conținutului citoplasmic, prin tubul polar lung de 50-500 µm, în inițierea intrării parazitului în interiorul unei noi celule gazdă, în cursul germinării sporului. Mecanismele de germinare și de formare a tubului polar rămân a fi determinate, ca și mecanismul prin care sporoplasma pătrunde în celulele gazdă.

În componența tubului polar microsporidian au fost identificate 5 proteine, folosind abordări proteomice, și s-a sugerat că, cel puțin pentru speciile de microsporidii studiate până astăzi, acestea definesc o familie nouă de proteine (Polonais et al., 2007).

La Encephalitozoon cuniculi au fost identificate 3 proteine tubulare, numite PTP1, PTP2 și PTP3 și s-au raportat, de asemenenea, și gene aranjate în tandem codificând proteinele majore PTP1 și PTP2 la alte 2 specii de Encephalitozoon, ca și la Antonospora locustae și Paranosema grylli parazite la insecte; în genomul de A. locustae s-au găsit mai multe gene care codifică proteine de tip PTP2. PTP1 și PTP2 conțin reziduri de cisteină și par să interacționeze una cu alta, iar PTP1, care este cel mai abundent component al tubului polar, este modificată prin adăugarea de reziduri de manoză O-legată, care probabil că joacă un rol în adeziunea tubului polar la celulele gazdă (Xu et al., 2003; Peek et al., 2005). Recent s-au mai identificat 2 noi componente ale tubului polar (PTP4 și PTP5) la E. cuniculi și A. locustae. La ambele specii, genele care codifică aceste noi PTP-uri sunt, în mod similar, adunate pe un cromozom, și nu prezintă homologii cu proteinele din baze de date. Ptp4 din A. locustae este de un interes special, deoarece pare a fi singura localizată la sfârșitul tubului polar extruzat, sugerând un rol potențial in aderența la celula gazdă. S-au făcut unele experimente preliminarii pentru a caracteriza interacțiunile dintre PTP-uri în timpul formării și funcționării tubului polar.

Serurile de la pacienții cunoscuți ca fiind infectați cu microsporidii exprimă anticorpii care se leagă de tubul polar, sugerând că PTP-urile pot să servească ca antigeni.

Considerații filogenetice și taxonomice

Clasificarea Microsporidiilor și cunoașterea speciilor din interiorul acestui filum au fost bazate istoric, inițial pe morfologie (întâi microscopie optică, apoi la nivel ultrastructural), biologie și caracteristici de habitat, iar mai recent s-au aplicat în taxonomia aceastora filogenii moleculare. Primele studii de filogenie moleculară, comparând secvențe de AND-r, au sugerat că microsporidiile ar fi fost printre cele mai timpuriu sau adânc ramificate eucariote, din cauza lipsei unor mitocondrii tipice, aparat Golgi și peroxizom, la care se adaugă prezența ribozomilor mici, de tipul celor de la procariote (Vossbrinck et al., 1987).

Totuși, ulterior s-a găsit că microsporidiile prezintă multe gene cu evoluție rapidă și (ca artefact) un braț lung de atracție a unor astfel de gene care evoluează rapid și asemenea fapte au pus sub semnul întrebării aceste interpretări timpurii.

            Microsporidiile sunt în prezent interpretate ca fiind o ramură eucariotică înalt divergentă, bine adaptate și paraziți specializați, aparținând, sau poate reprezentând un grup soră cu Fungi (Keeling și Slamivits, 2004; Gill și Fast 2006).

            Într-o raportare recentă (James et al., 2006), au fost respinse 8 plasări teoretice în cadrul fungilor, în urma culegerii de date de la un număr mare de specii și comparații cu mai multe gene, din care a rezultat ipoteza că microsporidiile ar trebui să fie situate fie la baza arborelui fungic, fie în interiorul Chytridiomycota sau în interiorul Entomophthorales.

            Microsporidiile reprezintă modele importante de compactare extremă a genomului eucariotic și de adaptare celulară și par a fi foarte reduse și simplificate în raport cu alte celule eucariotice.

            Ele sunt particulare, deoarece conțin unele dintre cele mai mici genomuri de eucariote, datorită atât reducerii cât și compactării genelor. De exemplu, genomul de Encephalitozoon cuniculi constă din 2,9 Mb pe 11 cromozomi cu aproximativ 2000 de gene strâns îndesate, care au câțiva introni, sunt mai scurte decât proteinele corespunzătoare de la alte eucariote și au regiuni de codare care coincid parțial. Dimensiunile genomului la microsporidii sunt estimate curent între 2,3 Mb pe 11 cromozomi de Encephalitozoon intestinalis, până la 19,5 Mb pe 16 cromozomi de Glugea atherinae.

            Microsporidiilor le lipsesc multe din genele care codifică proteine în căile metabolice și regulatoare și le rețin pe acelea în legătură cu transportul surselor de energie și metaboliți, probabil ca o consecință a dependenței de celula gazdă.

            În plus, la sporoblastul și stadiile sporului au fost găsite exprimări ale proteinelor care sunt protectoare față de expunerea la mediu (Brosson et al., 2006).

            Un alt exemplu de reducere este aceea a mitocondriei sau mitosomului, un organit recent descris la unele microsporidii, dar puțin caracterizat. Au fost găsite mai mult de o duzină de gene codificând proteine derivate din mitocondrii și s-au localizat HSP70 mitocondriale pe mitosomi, suportând probabilitatea că microsporidiile au evoluat din ancestori care conțineau mitocondrii (Vivares et al., 2002; Thomarat et al., 2004; Gill și Fast, 2006).

            Din proteinele codificate în secvența genomică completă a lui Encephalitozoon cuniculi a fost îmbinată o idee asupra proceselor care ar avea loc în interiorul acestor organite. Acestea sugerează o mitocondrie cu un șuvoi înalt neîntrerupt, care pare să fi pierdut atât genomul cât și lanțul de transport al electronilor.

            A mai fost studiată mitocondria de Antonospora locustae (microsporidie care infectează insectele) arătându-se că funcționarea sa poate să difere la această specie. Această mitocondrie apare mult mai complexă în modalitatea de importare a proteinelor, tipurile de metaboliți pe care îi poate importa și căile adăpostite în interiorul organitului, în comparație cu E. cuniculi. S-a început caracterizarea unora din aceste proteine adiționale, pentru a înțelege cum și de ce procesele mitocondriale diferă de la o specie la alta (Williams, 2007)..

            Datele sugerează că funcția mitocondrială la microsporidii poate fi destul de variabilă și să arate diverse niveluri de reducere de a lungul filumului.

Top

COMPLEXITATEA  MICROBIOTEI  ACIDOFILE  DIN EFLUENȚI INDUSTRIALI CU CONCENTRAȚII CRESCUTE DE IONI METALICI

Carmen Mădălina Cișmașiu

Institutul de Biologie Bucuresți, madalinabio@yahoo.com; carmen.cismasiu@ibiol.ro 

Cercetarea în domeniul ecologiei mediilor extrem de acide, cu concentrații crescute de ioni metalici, a relevat că complexitatea microbiotei acidofile este considerabilă. Aceasta cuprinde reprezentanți din domeniul Bacteria și Archaea, precum și alte microorganisme cu efect sinergic sau antagonic asupra procesului de oxidare a minereurilor sulfurice (Zarnea, 1994; Johnson, 1999; Lazăr, 2001).

In mediile acide, există o corelație negativă între diversitatea speciilor și numărul indivizilor din fiecare specie: numărul redus al speciilor într-o comunitate este compensat prin numărul mare al indivizilor. Modificările mediului determină modificări în structura comunităților de microorganisme (Zarnea, 1994; Cișmașiu, 2008).

Produșii de metabolism ai microorganismelor acidofile, cum ar fi depunerile de limonit din apele reziduale ale minelor, sunt principalii indicatori ai prezenței acestor microorganisme în mediu. Aceasta se poate observa mai pregnant în cazul consorțiilor, ansambluri de populații mixte de bacterii autotrofe și heterotrofe acidofile, care au fost descoperite în diferite zone din lume. Astfel, în Rio Tinto au fost descoperite creșteri filamentoase de fungi și alge, iar înflorirea algelor verzi se realizează doar ocazional. În această zonă, se mai găsesc și o mare varietate de procariote acidofile (Lopez – Archille și colab., 1995).

            Caracterizarea structurală și fiziologică a speciilor din comunitatea microbiană duce la descoperirea unui important număr de microorganisme noi, care datorită activității lor metabolice în condițiile mediilor poluate, dețin un rol important în procesele de bioremediere a mediilor poluate cu metale grele. Exploatarea speciilor microbiene și diversității lor metabolice va reprezenta în viitor baza pentru aplicațiile de bioremediere.

   Cunoașterea influenței condițiilor de mediu asupra activității metabolice a microorganismelor acidofile este de interes atât din punct de vedere teoretic, deoarece completează cunoștințele în domeniul ecologiei microbiene, cât și din punct de vedere practic, pot fi diminuate/înlăturate o serie de efecte negative rezultate din activitatea acestora (Cișmașiu, 2006).

   In ecosistem, activitatea microorganismelor acidofile este complexă: (a) bacteriile acidofile înglobează eficient nutrienții, aflați în mediile oligotrofe, reintrodu-ce sub formă de biomasă cantități semnificative de carbon organic dizolvat; (b) utilizănd o gamă largă de substanțe organice și anorganice din sol, resturi vegetale și animale, microorganismele acidofile introduc în rețeaua trofică substanțe alohtone, îmbogățind ecosistemul oligotrof în nutrienți; c) realizează conversia substanțelor vegetale și animale în materie anorganică prin procesele de mineralizare, care restituie organismelor fotosintetizante nutrienții esențiali pentru activitatea lor; d) efectuează o serie de reacții de oxido-reducere care modifică valorile de pH, to, Eh și alte condiții esențiale pentru existența vieții, în diferite zone ecologice ale mediilor acvatice; e) degradează substanțele “recalcitrante”, asimilează o gamă largă de produși chimici și reintroduc în rețeaua trofică substanțele inaccesibile altor categorii de microorganisme; f) acționează ca agenți geochimici, cu rol complex în diageneza rocilor și depunerilor de compuși ai Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, S0.

In unele zone miniere din România prin activitatea intensă de extragere și prelucrare a minereurilor rezultă ape și deșeuri solide reziduale a căror depozitare a dus la crearea de iazuri de decantare întinse pe suprafete  de zeci și sute de hectare. Acestea reprezintă habitate miniere artificiale ce oferă condiții propice dezvoltării microorganismelor acidofile, chemolitotrofe și chemoorganotrofe (Lazăr și colab. 1998; Voicu și colab., 1999; Cișmașiu, 2008).

Ințelegerea ecologiei microbiene a ecosistemelor apelor acide de mină este importantă pentru remedierea zonelor afectate de acestea și aplicații de noi biotehnologii. Bioleșierea deșeurilor de minereuri sărace în metale implică folosirea capacității bacteriilor chemolitotrofe din genul Thiobacillus pentru solubilizarea metalelor din deșeuri miniere, care nu pot fi extrase folosind tehnicile fizico-chimice utilizate în mineritul tradițional.

O altă aplicație biotehnologică a bacteriilor chemolitotrofe acidofile din genul Thiobacillus este creșterea eficienței extragerii resturiilor de metale grele din soluția de electroliză rezultate.în urma prelucrării bijuteriilor înainte de a fi aruncate (Cișmașiu, 2005; Cișmașiu și colab., 2007, 2009).

 


© 2008 Institute of Biology. All right reserved.

Send mail to sorin.stefanut@ibiol.ro with questions or comments about this web site.
Last modified: 07/03/09