Микроорганизмы фото: Микроорганизмы: изображения, стоковые фотографии и векторная графика

Содержание

Ученые нашли бактерии, которые способны поедать пластик

Фото wallBox

18 декабря, Минск /Корр. БЕЛТА/. Группа биологов из Технологического университета Чалмерса в Швеции обнаружила микроорганизмы, которые способны решить проблему загрязнения планеты. Об этом сообщает Microbial Ecology.

Исследователям удалось открыть вид бактерий, которые способны разлагать пластик на суше и под водой. Ученые считают, что эти организмы способны эволюционировать и почти универсальны.

В частности, они подстраиваются под определенный вид мусора и могут перерабатывать самые разные варианты пластика. Ученые также заметили, что у бактерий есть реакция на степень загрязнения пластиком.

В ходе исследований ученые из Швеции изучили более 200 миллионов разных видов бактерий. 300 тысяч микроорганизмов оказались способны разлагать около десяти видов пластика. Для более точных результатов исследователи проведут дополнительные эксперименты, однако достигнутый на сегодняшний день результат работы уже воодушевляет многих людей в мире.-0-

В России появится единая коллекция бактерий и вирусов — Российская газета

С 1 июля 2022 года будет создан и начнет пополняться национальный каталог коллекционных штаммов различных микроорганизмов и вирусов. Также будут создаваться, пополняться и вестись коллекции патогенных бактерий и вирусов. Такое постановление приняло правительство РФ.

Коллекции могут быть государственными, исследовательскими и рабочими. Список государственных будет утверждать правительство страны. Предусмотрена и система дублирования коллекционных фондов.

В начале октября совет министров принял постановление о правилах создания, пополнения и ведения коллекций патогенных микроорганизмов и вирусов. А ранее премьер-министр Михаил Мишустин заявил о необходимости создания каталога штаммов вирусов и бактерий, которые несут угрозу человечеству. Это будет «единая, постоянно обновляющаяся база данных всех видов бактерий и вирусов, которые способны вызвать заболевания у человека, животных или растений», подчеркнул глава правительства. Такой каталог как раз и будет пополняться информацией из различных коллекций бактерий и вирусов.

Государственные коллекции патогенов будут делиться на три категории по степени опасности сохраняемых возбудителей и объемам коллекционных фондов.

Сейчас существует государственная коллекция микроорганизмов. Ее фонд насчитывает более 2200 объектов хранения и является уникальным. Наибольшую ценность представляют коллекции микроба сибирской язвы, возбудителей эмерджентных (появляющихся внезапно. — Прим. ред.), карантинных и экзотических инфекций животных. Это, например, возбудители листериоза, африканской и классической чумы свиней, африканской чумы лошадей, лихорадки долины Рифт, оспы и чумы мелких жвачных, бешенства и др.

На основе коллекций микробов ученые могут создавать диагностикумы для их выявления, препарат для лечения, а также профилактические вакцины

Зачем нужны такие коллекции вирусов? Как поясняет руководитель Екатеринбургского научно-исследовательского института вирусных инфекций Научного центра «Вектор» Роспотребнадзора, доктор биологических наук Александр Семенов, любая коллекция вирусов нужна для того, чтобы эти вирусы изучать. И на основе изучения создавать диагностические средства для их выявления, препараты, которые будут лечить последствия заражения инфекциями, а также вакцины, которые встанут преградой на пути проникновения вирусов в живые организмы. «Поэтому нужно обязательно иметь коллекцию вирусов, которая всегда под рукой у исследователей и с которой можно проводить эксперименты как на клеточных культурах, так и in vitro (в пробирке), на лабораторных животных, тестировать различные диагностические средства, противовирусные препараты на вирусах, — подчеркивает Александр Семенов. — Все это необходимо исследовать именно на цельных вирусах, которые содержатся в коллекции, где бережно хранятся, выделены либо от заболевших людей, либо из объектов окружающей среды. Поэтому государственная коллекция вирусов существует в каждой более или менее крупной стране».

Ведение общего каталога еще больше упростит задачи ученых. Ведь он призван аккумулировать все данные из коллекций, важно лишь пополнять его. Тем более что пандемия коронавируса — явно не последняя угроза человечеству. По словам главы Роспотребнадзора Анны Поповой, новые эпидемии неизбежны. И Россия к этому готовится. Уже в ближайшее время ученые научатся расшифровывать любые инфекции за 24 часа, а создавать новые вакцины за четыре месяца, спрогнозировала будущее глава Роспотребнадзора.

Планетное вторжение: ученые выяснили, как начать колонизировать Марс | Статьи

Ученые нашли места на Марсе, куда можно высадить колонии лишайников и бактерии-автотрофы — организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических. В долинах Маринер и равнине Эллада, расположенных близко к экватору планеты, микроорганизмы будут защищены от перепадов температуры, сильного ветра и жесткого ультрафиолетового излучения. Там они смогут размножиться и со временем преобразовать Марс, сделав его более пригодным для жизни и колонизации. Эксперты отмечают, что лучше сначала сделать условия на соседней планете более мягкими и лишь потом заселять туда микроорганизмы для окончательного преобразования облика Марса.

Укромное место

Учитывая растущую численность населения Земли, встает вопрос о колонизации планет Солнечной системы. На данном этапе освоения космического пространства более всего для колонизации подходит Марс. Но сначала имеет смысл преобразовать планету так, чтобы она стала более пригодной для жизни.

Для этого требуется увеличить температуру и плотность атмосферы, а также качественно изменить химический состав воздуха, увеличив процент кислорода в нем. Гипотетически, сделать это можно с помощью внедрения особо живучих низших биологических организмов, таких как лишайники. В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) нашли оптимальные места для размещения стартовой колонии этого биологического вида.

В итоге оптимальными местами мы признали долины Маринер и равнину Эллада, — рассказала «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова ОИЯИ Зоя Карпова. —

Они имеют более или менее подходящие физические и климатические условия: температуру воздуха, более высокое атмосферное давление по сравнению с «нулевым» уровнем планеты, и, не исключено, что жидкую воду, согласно спутниковым данным.

Долины Маринер представляют собой систему каньонов длиной в четверть окружности планеты и простираются с востока на запад чуть ниже экватора. Равнина Эллада — это округлая равнинная низменность в Южном полушарии Марса, ее поверхность лежит на 8,2 км ниже окружающей возвышенности. В этих местах микроорганизмы будут наиболее надежно защищены.

Закат на Марсе

Фото: commons.wikimedia.org/NASA

Главными характеристиками для выживания микроорганизмов и лишайников являются температурный режим и водный обмен на планете, — объяснила Зоя Карпова. — Общий перепад температур на планете составляет примерно 160 °С, от –125 °С на полюсах и до +35 °С на экваторе. Согласно анализу данных с различных аппаратов, наиболее благоприятные температурные условия в приэкваториальных широтах. Они схожи с условиями на побережье Антарктиды. Мы решили рассматривать широты между +30° и –30° как возможные территории для первичных экспериментов с заселением микроорганизмами и лишайниками.

Так как около 75% поверхности планеты выше уровня атмосферного давления, то вода здесь находится в состоянии исключительно льда и (или) пара, а не жидкости.

Поэтому ученые сосредоточились в поиске мест для колонизации на областях ниже этого уровня. Предпочтение в выборе оптимальных локаций отдавалось каньонам, равнинам, плато и кратерам. Такие места дают тень от прямых лучей ультрафиолета и некоторую защиту от сильных ветров и песчаных бурь.

Лишайники устойчивы к самым неблагоприятным условиям, так как умеют разными способами извлекать из почвы и воздуха влагу и накапливать ее. Поверхность лишайника ненадолго может удерживать воду в виде пара или жидкости, что гипотетически может защитить его в ночное и морозное время на Марсе. По данным Германского центра авиации и космонавтики,

в эксперименте по имитации марсианских условий в течение 34 дней выжил именно лишайник и показал хорошие результаты по адаптации.

С лишайниками уживаются бактерии-автотрофы. Это организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических: грунта, воды и воздуха. Они являются первым звеном в пищевой цепочке. Лишайники и бактерии-автотрофы вкупе хороши не только для освоения среды, но и для преобразования грунта в плодородную почву.

Но даже таким «выживальщикам» нужны некоторые условия, чтобы благополучно существовать, развиваться и размножаться на новой территории.

Марсианские скалы в древнем льду

Фото: Global Look Press/NASA/JPL-Caltech

Выжившие

Теоретически такой план вполне реализуем, считают эксперты. Они рассказали про его достоинства и недостатки, а также предложили идеи для оптимизации тактики терраформирования Марса.

— Для практической реализации такого плана есть значимое ограничение — на это потребуется существенный промежуток времени, — сказал «Известиям» младший научный сотрудник отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН Владимир Чепцов. — Если даже способные выживать в среде Марса микроорганизмы поместить в нынешние условия, они будут размножаться очень медленно.

Приблизительно срок преобразования планеты можно оценить в тысячу лет, а может, и больше. Поэтому при рассмотрении различных сценариев терраформирования Марса больше внимания уделяется подходам, связанным с тем, чтобы сначала повысить давление и сделать температуру на планете более пригодной для жизни и только потом пытаться ее заселить микроорганизмами.

Например, есть популярная теория, гласящая, что можно «столкнуть на Марс» астероид с высоким содержанием льда, что обеспечит высокий выброс энергии и газа для повышения атмосферного давления нашего соседа. Можно также запустить на Марс автоматические станции, которые бы растопили полярные шапки. Хотя это заняло бы тоже немалое время, около сотни лет. К тому же сейчас просто нет технологий, которые позволили бы осуществить задуманное.

Наиболее реалистичным, по мнению Владимира Чепцова, выглядит сценарий совмещения технологий терраформирования Марса и использования для этого микроорганизмов. В этом случае микроорганизмы станут размножаться более интенсивно вследствие благоприятных условий. Хотя оценить промежуток времени, который понадобится для того, чтобы сделать условия на Марсе близкими к земным, определить трудно — оценки ученых сильно разнятся, от десятков лет до сотен лет.

Иллюстрация растений, растущих на воображаемой базе Марса

Фото: commons. wikimedia.org/NASA

Ведущий научный сотрудник лаборатории экологической медицинской биохимии и биотехнологии Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, кандидат биологических наук Илья Прокопьев заметил, что сейчас, даже несмотря на живучесть лишайников, им может не хватить скудного количества воды, которое есть на Марсе.

— В выбранных учеными местах вода в виде пара появляется буквально на несколько часов в сутки, — пояснил эксперт. — Это слишком короткие промежутки времени, чтобы микроорганизмы успели запастись водой для нормального существования.

Таким образом, по мнению Ильи Прокопьева, в нынешних условиях Марса лишайники проживут какое-то время, но не настолько долго, чтобы успеть преобразовать планету. Но если решить проблему с водой, с остальными трудностями в виде низкого давления и перепадов температуры лишайники вполне справятся.

Обнаружены микроорганизмы, способные очищать почвы от нефтяных загрязнений · Новости Архангельска и Архангельской области.

Сетевое издание DVINANEWS

Специалисты нефтяной компании «Роснефть» и национального парка «Русская Арктика» в рамках комплексного совместного проекта «Чистая Арктика» обнаружили бактерии, на основе которых может быть разработан инновационный препарат для очищения грунтов от нефтепродуктов. 

Перспективные микроорганизмы были выявлены учеными при заборе проб загрязненной почвы на острове Земля Александры, где до 2015 года размещались склады горюче-смазочных материалов. На этой территории грунтовые воды сформировали так называемые зоны миграции нефтепродуктов, которые впоследствии попадали в море. 

В ходе серии испытаний, проведенных в лабораториях ФИЦ Биотехнологии РАН, обнаружилась уникальная особенность бактерий – они способны разлагать нефтепродукты при низкой температуре (2-6°С). Данные микроорганизмы могут быть использованы при создании биопрепаратов для комплексной очистки грунтов в Арктике от нефтепродуктов. 

Таким образом, открытие учёных позволит решить одну из главных экологических проблем арктических территорий.  

— Поскольку масштабы нефтяных загрязнений могут быть огромны, а процесс самоочищения почв длителен, биотехнологические методы рекультивации почв, которые сейчас мы изучаем на архипелаге Земля Франца-Иосифа, приобретают исключительно важную роль, – заявил руководитель комплексного научного проекта «Чистая Арктика» Дмитрий Крюков. 

Проект «Чистая Арктика» стал логическим продолжением инициативы Президента РФ по очистке арктических территорий, которая началась на архипелаге Земля Франца-Иосифа в 2012 году.

Ранее «Роснефть» совместно с биологами МГУ и при поддержке фонда «Иннопрактика» разработали не имеющий аналогов в мире препарат по утилизации нефтяных загрязнений на воде при низких и отрицательных температурах. 

Справочно

«Чистая Арктика» – это комплексный совместный проект НК «Роснефть» и национального парка «Русская Арктика», который стартовал в 2019 году. Инициатива направлена на восстановление экосистемы самых северных территорий России – заповедного архипелага Земля Франца-Иосифа, входящего в состав особо охраняемой природной территории с 1994 года.  

Основная цель – оценка масштабов загрязнения территории заповедного архипелага в результате хозяйственной деятельности человека при освоении Арктики во времена СССР. Совместный проект стал логическим продолжением работ по ликвидации накопленного экологического ущерба, выполненных в период 2012-2017 годов на островах архипелага Земля Франца-Иосифа и на Новой Земле в границах национального парка.

Пресс-служба национального парка «Русская Арктика»

Машина удаляет микроорганизмы с кожицы снековых яблок (фото) | Переработка

Переработка ◄ ▲ ►

6 марта 2018, 09:25 FreshPlaza

Известная немецкая фирма KRONEN GmbH планирует представить свою новую технику на выставке «Anuga FoodTec — 2018 » в Кельне (Германия), которая состоится с 20 по 23 марта т.г. В последние годы значительно возросло производство готовых к употреблению, упакованных свеженарезанных продуктов, например, салатных смесей.

Их потребителями являются как отдельные домохозяйства, так и крупные рестораны, кафе и гостиницы. Также их используют для приготовления школьных завтраков. Однако свеженарезанные продукты обладают более коротким сроком реализации по сравнению с целыми овощами и фруктами, поскольку в большей степени подвержены микробиологическому загрязнению.

Именно микробиологическая безопасность является ключевым критерием качества с точки зрения безопасности продовольствия.

 

 

Фирма KRONEN GmbH в рамках проекта DEKONWA сотрудничает с учеными из Института сельскохозяйственной инженерии и биоэкономики им. Лейбница с целью создания такой техники, которая удаляет микробиологическое загрязнение с кожицы мытых и нарезанных кубиками, но не очищенных, яблок, предназначенных для производства снеков.  Целью проекта является не просто тщательно вымыть яблоки, но и обеззаразить их без применения химических добавок.

Для этого была создана специальная новая техника. Благодаря использованию регулируемых по температуре, контролируемых процессов удалось снизить количество микроорганизмов, как портящих сами продукты, так и патогенных для человека. В результате снизились потери продукции в результате порчи и повысилась их безопасность.

Новая техника замечательно подходит для применения в обычных холодных помещениях. Благодаря тому, что обеззараживание продукции достигается за счет температуры без использования химикатов, этот метод и технику можно применять и для приготовления фруктовых салатов из органической продукции. Новую технику можно интегрировать в уже существующие линии по переработке продукции. Кроме того, планируется расширить возможности этого метода и для переработки других продуктов, например, свеженарезанных салатов.

Обсудить в форуме Материалы по теме

Фурункул — причины, симптомы, диагностика и лечение фурункула в Калининграде

Лечение и профилактика фурункула

Фурункул – это воспаленная, заполненная гноем полость в кожном покрове. Чаще всего появляются фурункулы в области кожи, где есть волосяной покров, и в том месте, где происходит трение кожи с одеждой. Размеры фурункулов могут быть различными. От размера горошинки до размера грецкого ореха. Возникать фурункулы могут на любой области тела.

Описание болезни

Народное название фурункула – чирей. По сути, это воспаление волосяного фолликула, распространяющееся на сальные железы и мягкие ткани. Патология довольно серьезная, и легкомысленное отношение к ней может спровоцировать очень неприятные последствия, вплоть до сепсиса и гнойного менингита.

Чаще всего заболеванием страдают взрослые мужчины, а женщины и дети подвержены ему реже, что объясняется меньшей площадью волосяного покрова на теле. Воспаление может появиться на любом участке, где есть фолликулы, даже в носу.

Фурункулез – распространенная патология, ею страдают почти 17% всех пациентов дерматологических клиник и отделений. Пик максимальной активности заболевания наблюдается осенью и зимой, когда иммунитет человека снижен. 

 

Лечение фурункула

Фурункул, лечение которого может производиться только специалистом, – это довольно неприятное новообразование, часто вызывающее боль. Существует мнение, что удаление фурункула можно произвести в домашних условиях самостоятельно, однако лучше не рисковать, чтобы не усугубить ситуацию. Причины возникновения фурункула могут быть весьма разнообразны, это довольно частое заболевание, встречающееся у людей, которые по разным причинам не могут поддерживать должный уровень гигиены. Развивается фурункул, когда бактерии попадают на волосяной фолликул и проникают внутрь него. После этого кожная ткань вздувается, на ней появляется красная, заполненная гноем припухлость, которая и дает болезненные ощущения.

Причины появления фурункулов

Основным возбудителем выступает стафилококк, который проникает в волосяной фолликул. В норме эти микроорганизмы и так присутствуют на поверхности кожи, но снижение иммунитета провоцирует их патогенный рост. Вследствие этого стафилококк оказывается в порах и фолликулах, вызывая воспалительный процесс, – так формируется фурункул.

Заболевание также может иметь не бактериальную, а гормональную этиологию. В основном это касается людей с сахарным диабетом. Недостаточное питание тканей по причине нарушенного кровообращения снижает барьерную функцию кожи, ослабляет местный иммунитет, вследствие чего возбудитель свободно проникает к волосяному фолликулу. 

Факторы, повышающие риск развития фурункулов

Что приводит к ослаблению защитных свойств кожи и патогенному размножению стафилококка:

  • Повышенная потливость. В составе пота есть соли, оказывающие агрессивное влияние на кожу, в результате чего появляется фурункул. Снизить потоотделение помогут закаливание, устранение факторов стресса, умеренные физические нагрузки, сбалансированное питание.
  • Механические повреждения кожи. Это ссадины, царапины, места расчесов и трещины при различных кожных заболеваниях. В таких случаях стафилококк проникает внутрь, не встречая никакого сопротивления, фурункул, как правило, появляется не один.
  • Регулярное раздражение кожи выделениями. Здесь речь о хронических отитах и ринитах, когда ткани длительное время контактируют с патогенными микроорганизмами.
  • Некачественные средства для ухода и макияжа. 
  • Несоблюдение правил гигиены. В результате на поверхности кожи скапливается большое количество болезнетворной микрофлоры, а механические повреждения (трения об одежду) только усугубляют ситуацию.
  • Постоянный контакт с химикатами, пылью, другими раздражителями. Они нарушают естественный кожный барьер и формируют благоприятные условия для возникновения фурункула. Чтобы предотвратить это, необходимо пользоваться средствами индивидуальной защиты. 

Если хотя бы один из перечисленных факторов актуален для вас, постарайтесь минимизировать его влияние и внимательнее следите за состоянием кожных покровов. При возникновении патологии обязательно обращайтесь к врачу – фурункул нужно лечить только со специалистом.

Симптомы фурункула

Симптомы фурункула могут различаться в зависимости от места его расположения и времени развития.

К основным симптомам относятся:

  • гной в центре новообразования на коже;
  • бело-кровяное выделение из центра фурункула;
  • желтое пятно в центре фурункула;
  • общее недомогание;
  • повышение температуры.

Стадии фурункула

Выделяют три стадии фурункула:

  • Развитие инфильтрата (то есть области, через которую невозможно прохождение гноя). Инфильтрат представляет собой массу из крови, лимфы и клеточных элементов, он формируется вокруг пораженного фолликула. Ткани уплотняются, заметна отечность. Вокруг волоска образуется покраснение, которое в диаметре достигает 10-30 мм. Фурункул болит, но не очень сильно, постепенно болевые ощущения нарастают, при прикосновении есть жалобы на покалывание. Длительность первой стадии – до 2-3 дней.
  • Стадия нагноения и некроза. На 3-4 сутки внутри по центру образования заметен белый стержень – гнойничок, состоящий из непосредственно гноя и ороговевших клеток. Его верхушка возвышается над поверхностью кожи, провоцируя ее натяжение. В один момент эпителий расходится – гнойник «прорывает», из него вытекает содержимое, полость очищается.

Важно: лечить фурункулез выдавливанием гнойника категорически запрещается, в противном случае можно как минимум занести инфекцию и сильно травмировать кожу.

  • Стадия заживления. Происходит, как при обычной ране: сначала на поверхности образуется корочка, потом она отпадает. Если фурункул небольшого размера, следов нет, если же он крупный, может остаться временный шрам (но он все равно не навсегда). 

Лечение фурункулеза должно проходить строго под наблюдением врача. Это гарантирует отсутствие опасных последствий и угрожающих жизни состояний. 

Удаление фурункула

Операция по удалению фурункула должна проводиться только специалистом, который имеет необходимые инструменты и знания, необходимые для результативного избавления пациента от заболевания. В медицинском центре «Надежда» такие операции проводятся довольно часто и имеют позитивные результаты. Лечение фурункулов зависит от стадии их развития. Ни в коем случае нельзя выдавливать фурункул, это может привести к довольно печальным последствиям.

Стержень фурункула удаляют сразу после того, как он полностью отделится от тканей, которые его окружают. Специалисты отмечают, что как только в фурункуле появляется гной, его вскрытие становится первостепенной задачей. Длится операция всего несколько секунд, но само это вмешательство поможет пациентам избежать сопутствующих проблем, возникающих при появлении фурункулов. Операция проходит под местной анестезией, что позволяет полностью избежать болезненных ощущений.

Внутренний фурункул – это разновидность фурункулов, которые не появляются на поверхности кожи, а проявляются под ней. Они также опасны для здоровья человека, поэтому должны вовремя подвергаться лечению.

Операции по удалению фурункулов в медицинском центре «Надежда» проводятся грамотными специалистами. Пациенты, обращающиеся в клинику, могут не беспокоиться о цене процедуры. Цены – приемлемые и лояльные.

 

 

10 научных головоломок, которые поможет решить Антарктида

Южный континент – самый холодный на Земле. В 2018 году здесь зафиксировали температуру -98°С. Климатические условия абсолютно непригодны для жизни. И, тем не менее, люди с упорством, достойным восхищения, круглогодично изучают Антарктиду. Учёные уверены, что здесь найдут ответы на главные головоломки человечества, ведь многое на ледяном континенте выходит за рамки нашего естественно-научного представления.

От чего вымерли динозавры?

Большие, страшные, с гигантскими зубами! Да, да, в Антарктиде тоже жили динозавры. Первые незначительные останки учёные обнаружили в 1986 году, потом в 2006. Но четыре года назад во время экспедиции на остров Джеймса Росса палеонтологи нашли более тонны костей.

Этого материала должно хватить для детального анализа и, возможно, понять, отчего вымерли динозавры? Отдельным образцам больше 71 млн лет. Уже известно, что среди останков есть кости плезиозавров и мезозавров, доисторических птиц и даже уток конца мелового периода.

Каким путём может пойти эволюция в замкнутом пространстве при низких температурах?

Подлёдное озеро Восток – крупнейшее географическое открытие ХХ века. Своё название водоём получил в честь русской антарктической станции, расположенной над ним. Скрытое четырёхкилометровым панцирем льда оно приберегло множество сюрпризов для учёных. Размер озера 15 500 кв. километров, что больше острова Кипр в полтора раза, а глубина 1200 метров, что всего на 400 метров мельче озера Байкал. Существование озера, как и других подлёдных озёр, предсказал Андрей Капица в 1955–1957 годах. Официальное открытие произошло совсем недавно, в 1996 году, усилиями российских полярников. Учёные уверены, что озеро было отрезано ледником от внешнего мира на протяжении нескольких миллионов лет.

Температура воды в подлёдном озере 2-3 градуса ниже нуля. Почему же озеро Восток не замерзает? Есть две гипотезы. Первая – его подогревают геотермальные источники. Вторая – вода не меняет агрегатного состояния из-за колоссального давления сверху (около 400 атмосфер).

Скважину ко дну озера в рамках международного проекта бурили в несколько этапов. В проекте участвовали французы, немцы и американцы.  Бурение начали в 1989 году, а приостановили в 1999 из-за опасения загрязнить уникальную экосистему. В 2006 году бурение возобновили и закончили в 2013.

Активный этап изучения озера начался с 2015 года. Сначала в пробах с поверхности озера учёные отсеяли контаминанты – микроорганизмы и их ДНК, занесённые в озёрный лёд людьми во время бурения. Затем микробиологи рассмотрели фрагменты ДНК двух бактерий из озера. Одна из них оказалась совершенно незнакомой биологам; её ДНК совпала с известными последовательностями всего на 86%. Эксперты говорят, что она «вполне могла бы сойти за инопланетянку». Вторая бактерия, родственная Herminiimonas glaciei, оказалась похожей на вид, обитающий в ледниках Гренландии.

Учёные надеются: главные открытия им принесут пробы со дна озера. Ведь, если воду на дне подогревают термальные источники, она пригодна для жизни, и там могут обитать невероятные существа, порождённые эволюцией в замкнутой экосистеме озера Восток.

Как работает климатическая кухня Земли?

Арктика и Антарктика – два места, которые названы учёными климатической кухней Земли. От того, какие процессы там происходят, зависит погода на всех континентах.

И хотя учёные ведут за материком постоянные наблюдения, иногда им приходится сталкиваться с сюрпризами. Так, в 2017 году на поверхности Антарктиды образовалась крупная дыра. Её первоначальная площадь составляла 9500 квадратных километров, но затем возросла до 800 000 квадратных километров. В итоге дыра слилась с открытым океаном.

Учёные стали искать причину её образования. Но все гипотезы были не слишком убедительны, люди насчёт воронки выдвигали десятки антинаучных теорий. К 2019 году благодаря совокупности спутниковых данных и построенных климатических моделей, исследователи пришли к выводу, что это «ледяная полынья», которая стала следствием сильных циклонов.

По мнению экспертов, штормовой ветер вызвал смещение льда и выход теплой воды на поверхность, из-за чего воронка несколько месяцев не замерзала. Слившись с мировым океаном, полынья могла оказать большое влияние на региональный климат, изменив циркуляцию воды в океане.

Глобальное потепление может усилить активность полярных циклонов, поэтому дыры на поверхности Антарктиды могут образовываться всё чаще. Это по цепочке вызовет серьёзные изменения погоды во всём мире.

Какое влияние оказывает Антарктида на климат? Учёные постоянно ищут ответ на этот вопрос, и всегда находят новые ответы.

Почему сгорел лес на праматерике Гондвана?

В 2014 году группа учёных из университета города Сиены обнаружила окаменелости древнего леса в Антарктиде на холме Аллан. Открытие подтвердило гипотезу о том, что когда-то на шестом континенте простирались тропические леса.

Учёные исследовали остатки деревьев и пришли к выводу, что растительность в Антарктиде могла исчезнуть в результате извержения вулкана или падения крупного астероида. Произошло это около 250 миллионов лет назад. На древних деревьях видны отметины крупного пожара. На некоторых образцах следы огня обнаружены только на тех сторонах, которые были направлены вверх. Исследования продолжаются. Возможно, вскоре мы узнаем, что уничтожило леса на суперконтиненте Гондване, частью которого была и Антарктида.

Что будет, если взорвутся антарктические вулканы?

Под панцирем самого холодного континента скрывается горячее «тело». Учёные из Эдинбургского университета обнаружили в Антарктиде самую крупную в мире гряду вулканов. Пока в неё входит 91 объект и неизвестно, сколько из них действующие. В отдельных местах вулканы скрыты 2-километровой толщей льда. Континент исследовали при помощи радаров и другой специальной техники. Высота вулканов от 100 до 3,85 тыс. метров, почти все они находятся на западной окраине материка. Открытие – настоящий прорыв в антарктической вулканологии. Ранее было известно о существовании 47 антарктических вулканов.

Исследователи уверяют, что под шельфом ледника на дне моря скрываются и другие вулканы. Это открытие поставило перед учёными новую задачу: растают ли ледники, если произойдёт извержение вулкана? А что, если вулканов будет несколько?

Какая жизнь существовала на «мокром Марсе»?

В Антарктиде метеоритов нашли больше, чем на любом другом континенте. Благодаря мгновенной консервации «булыжники с неба» на протяжении тысячелетий остаются неизменными и представляют интерес для учёных.

Так, марсианский метеорит, известный нам под названием Allan Hills 84001, нашли в декабре 1984 года в горах Алан Хиллс в Антарктиде. На этом космическом теле обнаружили окаменелые микроскопические структуры. Учёные предполагают, что это бактерии внеземного происхождения. В пользу этой гипотезы говорит размер найденных структур: 20–100 нанометров в диаметре. Это значительно меньше любой известной нам формы клеточной жизни.

Учёные предполагают, что болид откололся от Марса 4 млрд лет назад. В это время там ещё была жидкая вода. Остальные метеориты, найденные на Земле, относятся к более позднему периоду.

Когда земля кровоточит?

В 1911 году австралийский географ Гриффит Тейлор обнаружил Кровавый водопад. Вероятно, в первые моменты учёного охватил ужас: из-под белой шапки льда вытекает жидкость, похожая на кровь, есть, где разгуляться фантазии. Тейлор предположил, что в красный цвет водопад окрашивают водоросли.

Загадку разгадали только в 2009 году. Оказывается, цвет появляется от окислов железа, которые содержатся в воде в большом количестве. Учёные из Гарвардского университета проанализировали химический и изотопный состав жидкости и доказали, что подлёдное озеро, в котором своё начало берёт водопад, заселено микроорганизмами. Поскольку там нет света, необходимого для фотосинтеза и питательных веществ, поступающих извне, жизненную энергию они получают, восстанавливая растворённые в воде сульфаты до сульфитов с последующим их окислением ионами трёхвалентного железа, поступающего в воду из донного грунта.

На основе этой экосистемы астробиологи строят предположения о возможности сохранения жизни в аналогичных условиях на других планетах солнечной системы: под ледяными шапками Марса или в океанах спутника Юпитера – Европы.

Что ждёт землян на Марсе?

В долине Мак-Мердо удобно проводить исследования – ни снега, ни воды. Это самая большая (около 8 тыс. км²) не покрытая льдом область в Антарктиде. Катабатические ветра достигают скорости 320 км/ч. Это самая большая скорость ветров на Земле.

Катабатический ветер – плотный и холодный воздушный поток, направленный вниз по склонам земной поверхности (с горных перевалов), а также нисходящие струи холодного воздуха в кучево-дождевых облаках.

По подсчётам учёных, эта долина свободна ото льда и снега вот уже 8 млн лет. Температура в долине никогда не превышает 0ºС, а в среднем составляет около −14ºС.

Сухие долины Мак-Мердо настолько близки к природным условиям Марса, что НАСА проводило там испытания спускаемых космических аппаратов «Викинг».

Что произойдёт, если растает лёд Антарктиды?

Большая часть Антарктиды покрыта льдом толщиной до 4,8 км. Антарктический ледяной щит содержит в себе 80% всей пресной воды нашей планеты. Сегодня мир наблюдает первые признаки глобального потепления в Антарктиде: разрушаются крупные ледники, появляются новые озёра, а почва лишается своего ледяного покрова.

Как изменится мир, если ледники Антарктиды растают? Учёные подсчитали, что уровень мирового океана поднимется почти на 60 метров.

Россия значительно не пострадает. Высота Москвы над уровнем моря – 130 метров, и новый всемирный потоп её не затронет. Под воду уйдут такие крупные города, как Астрахань, Архангельск, Санкт-Петербург, Новгород и Махачкала. Крым станет островом – над морем будет возвышаться только его горная часть. В Краснодарском крае затопит только Новороссийск, Анапу и Сочи. Сибирь и Урал останутся в прежнем виде.

Полностью исчезнут Прибалтика, Дания и Голландия. Не будет Лондона, Рима, Венеции, Амстердама и Копенгагена. В США не станет Вашингтона, Нью-Йорка, Бостона, Сан-Франциско, Лос-Анджелеса и других крупных прибрежных городов.

Если таяние льда будет происходить постепенно, у человечества есть шанс приспособиться к новому миру.

Как женский организм адаптируется к экстремальным условиям?

В Антарктиде работают преимущественно мужчины. Считается, что их психика более приспособлена к суровым условиям и долговременной изоляции.

7 декабря 1988 года из «Мирного» к станции «Восток» в Антарктиде стартовал лыжный женский экспериментальный научно-спортивный отряд «Метелица». Эту экспедицию иначе как «безумие» не называли. «Восток» находится в глубине материка – в 1253 км от Южного полюса, в 1410 км от станции «Мирный» и в 1260 км от ближайшего побережья. Толщина ледникового покрова здесь составляет 3700 м. Старт экспедиции назначили на короткое антарктическое лето, когда средняя температура -35ºС.

У спортсменок к этому времени накопился арктический опыт длительных переходов, но в Антарктиде условия гораздо суровее. До наших лыжниц женщины здесь были трижды: лейтенант ВВС США, советская журналистка и учёная американской антарктической станции «Мак-Мердо».

Экипировка лыжниц была лучшей для своего времени: пуховые костюмы и спальные мешки, меховые рукавицы и казанские унты.

Маршрут «Метелицы» проходил в условиях низких температур, сильных ветров, высокой солнечной активности. Его целью было углублённое изучение адаптационных механизмов женского организма в экстремальных условиях. В состав экспедиции входило пять врачей: терапевт, хирург, эндокринолог, травматолог, врач-гинеколог. С собой медики взяли походную лабораторию для ежедневного забора крови спортсменок.

За 57 дней лыжницы прошли 1420 километров по маршруту станция «Мирный» – ст. «Комсомольская» – ст. «Восток». Только одну девушку эвакуировали из-за отёка лёгких, вызванного горной болезнью.

Результаты исследований, полученные в результате этой экспедиции, актуальны до сих пор. Учёные выявляли возможности организма в экстремальных условиях, процессы обморожения, гангрены, регенерации. Так, благодаря комплексным исследованиям в Антарктиде русские медики далеко продвинулись в лечении синдрома диабетической стопы. Кроме того, эти данные используются в космических программах. Кто знает, каково там, на Марсе?

Наталья Мозилова

Психрофильные микроорганизмы: проблемы для жизни

EMBO Rep. 2006 Apr; 7(4): 385–389.

, 1, 2 (фото автор), 1, 2 (автор фото), 1, 2 (автор фото), 1, 2 (авторская фотография) и 1, 2, a (Фото автора)

Salvino D’Amico

1 Лаборатория биохимии, Химический институт B6, Льежский университет, Сарт-Тильман, 900 B-4000 Льеж, Бельгия 900 B-4000 Льеж 2 Все авторы внесли одинаковый вклад в эту работу

Tony Collins

1 Лаборатория биохимии, Институт химии B6, Льежский университет, Сарт-Тильман, B-4000 Льеж, Бельгия

5 Все авторы внесли свой вклад одинаково в этой работе

Жан-Клод Маркс

1 Лаборатория биохимии, Химический институт B6, Льежский университет, Сарт-Тильман, B-4000 Льеж, Бельгия

2 Все авторы внесли одинаковый вклад в эту работу

Жорж Feller

1 Лаборатория биохимии, Химический институт B6, Льежский университет, Сарт-Тильман, B-4000 Льеж, Бельгия

2 Все авторы внесли равный вклад в эту работу

Charles Gerday

5 2

Лаборатория биохимии, Институт химии B6, Льежский университет, Сарт-Тилман, B-4000 Льеж, Бельгия

2 Все авторы внесли одинаковый вклад в эту работу

1 Лаборатория биохимии, Институт химии B6, Университет of Liege, Sart-Tilman, B-4000 Liege, Belgium

2 Все авторы внесли равный вклад в эту работу

Поступила в редакцию 2005 г. 7 ноября; Принято 11 января 2006 г.

Copyright © 2006, Европейская организация молекулярной биологииЭта статья цитировалась в других статьях PMC.

Abstract

Способность психрофилов выживать и размножаться при низких температурах означает, что они преодолели основные барьеры, присущие постоянно холодной среде. Эти проблемы включают: снижение активности ферментов; снижение текучести мембран; измененный транспорт питательных веществ и отходов; снижение скорости транскрипции, трансляции и клеточного деления; холодовая денатурация белка; неправильный фолдинг белка; и образование внутриклеточного льда.Адаптированные к холоду организмы успешно развили черты, генотипические и/или фенотипические, чтобы преодолеть негативные последствия низких температур и обеспечить рост в этих экстремальных условиях. В этом обзоре мы обсуждаем современные знания об этих адаптациях, полученные в результате обширных биохимических и биофизических исследований, а также из геномики и протеомики.

Ключевые слова: холодовая адаптация, ферменты, геномика, текучесть мембран, психрофилы

Введение

Психрофильные микроорганизмы успешно колонизировали все постоянно холодные среды от морских глубин до горных и полярных регионов.Некоторые из этих организмов, в зависимости от их оптимальной температуры роста, также известны под терминами психротолерантные или психротрофные (Morita, 1975). Тем не менее, мы считаем, что существует континуум температурной адаптации к жизни с широким или узким диапазоном температур роста в зависимости от микроорганизма, и мы будем использовать общий термин психрофилы в этом обзоре для обозначения всех микроорганизмов, которые хорошо растут при температурах около точки замерзания. вода. Это уникальное свойство означает, что психрофилы успешно преодолели две основные проблемы: во-первых, низкую температуру, поскольку любое снижение температуры экспоненциально влияет на скорость биохимических реакций; и, во-вторых, вязкость водных сред, которая увеличивается более чем в два раза между 37 °С и 0 °С.Замечательная адаптация наблюдалась у некоторых организмов, таких как Moritella profunda , который является психропьезофильным организмом — микроорганизмом, приспособленным к холоду и живущим в глубоком море, — который демонстрирует максимальную скорость роста при 2 ° C и максимальную температуру роста всего 12 °C. °C (Xu и др. , 2003). Это указывает на то, что уже при температуре 2 °C некоторые ферменты или надмолекулярные структуры уже демонстрируют измененную конформацию, которая отрицательно влияет на метаболический поток.

Целью данного обзора является обобщение того, что мы знаем об адаптации психрофильных микроорганизмов к холоду.Очевидными мишенями пагубного воздействия низких температур являются цитоплазматические мембраны и ферменты, которые имеют тенденцию затвердевать при понижении температуры. Это влияет на проницаемость мембран и, следовательно, на транспорт питательных веществ и продуктов жизнедеятельности, а также на катализ, поскольку для функционирования ферментов требуется определенная гибкость (Goodchild et al , 2004b; Ratkowsky et al , 2005). Нарушение фолдинга белка и денатурация белка холодом также могут вызывать проблемы при низких температурах, в частности, для бактериальных штаммов, которые сохраняют биологическую активность при температурах до -20 °C и устойчивы к замораживанию.Также описаны белки холодового шока. Какова их роль в этой адаптации? Ключевые биологические активности, связанные с нуклеиновыми кислотами, такие как репликация ДНК, транскрипция и трансляция, также могут страдать от воздействия низких температур из-за образования вторичных структур или сверхскрученных структур; как психрофилы справляются с этими явлениями? Наконец, определено несколько геномных последовательностей психрофильных микроорганизмов, частичная аннотация которых выявила непрогнозируемые холодовые адаптации, число которых, очевидно, расширится после завершения анализа и секвенирования геномов других психрофилов.

Биоразнообразие

Самый низкий предел температуры для жизни, по-видимому, составляет около −20 °C, что является значением, зарегистрированным для бактерий, живущих в вечной мерзлоте и морском льду. Микробная активность при таких температурах ограничивается небольшими количествами незамерзшей воды внутри вечномерзлых грунтов или льда, а также соляными каналами. Они содержат высокие концентрации солей, экзополимерных веществ и/или твердых частиц, а поток жидкости поддерживается за счет градиентов концентрации и температуры.При этих температурах обнаруживаются аэробные и анаэробные бактерии. Другие факторы, такие как осмотическое и гидростатическое давление, солнечная, земная и космическая радиация, окислительный стресс и доступность питательных веществ, также сильно влияют на условия жизни. Следовательно, приспособление к холоду часто сочетается с другими приспособлениями. Несмотря на все эти проблемы, жизнь процветает в этих средах с замечательным микробным биоразнообразием, состоящим в основном из бактерий, грибков (в частности, дрожжей) и микроводорослей. Среди обнаруженных бактерий чаще всего упоминаются грамотрицательные α-, β- и γ-протеобактерии ( Pseudomonas spp.и Vibrio spp.) и Cytophaga Flavobacterium Bacteriodes филюм. Coryneforms, Arthrobacter sp. и Micrococcus sp. являются наиболее часто встречающимися грамположительными бактериями. Бактерии обычно доминируют по численности и разнообразию над археями, хотя в некоторых областях, таких как глубоководные воды, они встречаются в эквивалентных количествах, причем наиболее часто упоминаемыми родами являются Methanogenium и Methanococcus .Среди идентифицированных цианобактерий Oscillatoria , Phormidium и Nostoc commune доминируют в большинстве мест обитания в Антарктике (Pandey et al , 2004). Психрофильные дрожжи, особенно виды Cryptococcus , неоднократно выделялись из образцов почвы, и некоторые исследователи описывали их как наиболее важную форму жизни в почвах антарктических пустынь (Vishniac & Klinger, 1986). Обратитесь к Демингу (2002) за подробным описанием типов сообществ, связанных с конкретными холодными условиями.

Текучесть мембран

Снижение температуры оказывает неблагоприятное воздействие на физические свойства и функции мембран, обычно приводя к снижению текучести мембран, началу фазового перехода гель и, в конечном счете, к потере функции. Состав липидов определяет физические свойства мембран, поэтому неудивительно, что они меняются в зависимости от температурной среды обитания микроорганизма. В целом, более низкие температуры роста приводят к более высокому содержанию ненасыщенных, полиненасыщенных и метилразветвленных жирных кислот и/или меньшей длине ацильных цепей, при этом исследования сообщают о высокой доле цис -ненасыщенных двойных связей и антезиоразветвленных кислот. жирные кислоты (Chintalapati и др. , 2004; Russell, 1997).Считается, что этот измененный состав играет ключевую роль в повышении текучести мембраны за счет введения стерических ограничений, которые изменяют порядок упаковки или уменьшают количество взаимодействий в мембране. Дальнейшие адаптации, которые были предложены для увеличения текучести мембраны, включают повышенное содержание больших головных групп липидов, белков и неполярных каротиноидных пигментов (Chintalapati et al , 2004). Однако эти адаптивные стратегии, по-видимому, не получили широкого распространения, и исследования показывают более компактные группы липидов (Arthur & Watson, 1976) и снижение синтеза неполярных каротиноидных пигментов (Fong et al , 2001) у некоторых психрофилов.

Транскрипция и трансляция

Некоторые из основных барьеров для синтеза белка при низких температурах включают: снижение активности транскрипционных и трансляционных ферментов; снижение фолдинга белка, в первую очередь из-за пониженной скорости изомеризации пролила; и стабилизация вторичных структур ДНК и РНК. У психрофилов ферменты, участвующие в этих процессах, адаптированы к оптимальной активности при низких температурах. Например, было показано, что рибосомальный экстракт, РНК-полимераза, фактор элонгации и пептидил-пролил цис транс изомераза сохраняют активность вблизи 0 °C в некоторых психрофильных микроорганизмах.Действительно, этот последний фермент катализирует изомеризацию цис транс пролилов, и его высокая активность и сверхэкспрессия при низких температурах могут быть важны для поддержания скорости сворачивания белка при низких температурах. Кроме того, белки, связывающие нуклеиновые кислоты, например белки Escherichia coli , родственные CspA, и хеликазы РНК, которые могут быть важны для дестабилизации вторичных структур ДНК и РНК, также сверхэкспрессируются при низких температурах у психрофилов (Berger et al. , 1996; Lim и др. , 2000).

Реакция на холодовой и тепловой шок

Воздействие на мезофильные организмы внезапных изменений температуры, как повышающих, так и понижающих, вызывает временную сверхэкспрессию нескольких белков, известных соответственно как белки теплового шока (Hsps) или белки холодового шока (Csps), которые участвуют в различных клеточных процессах, таких как транскрипция, трансляция, фолдинг белков и регуляция текучести мембран (Phadtare, 2004). Хотя исследования этих ответов у психрофильных микроорганизмов все еще находятся в зачаточном состоянии, было обнаружено сходство с Csps и Hsps, которые индуцируются у мезофилов.В частности, повышенные уровни белков, связывающих нуклеиновые кислоты (например, белков, родственных CspA; Inouye & Phadtare, 2004) и шаперонов, таких как GroEL (Tosco et al. , 2003) и DnaK (Yoshimune et al. ). , 2005), часто сообщалось. Однако существуют различия между мезофильной и психрофильной реакцией на холодовой шок, включая отсутствие репрессии синтеза белков домашнего хозяйства и наличие белков адаптации к холоду (Caps) у психрофилов.Многие из Csps, наблюдаемых у мезофилов, действуют как Caps у психрофилов, экспрессируясь конститутивно, а не временно при низких температурах. Более того, эта дифференциальная регуляция экспрессии указывает на то, что у психрофилов существует сенсорная система температуры, и сообщалось о термосенсорах на уровне клеточной мембраны, которые воспринимают изменения текучести (Ray et al , 1994).

Белки-антифризы и криопротекторы

Белки-антифризы (АФП) обладают способностью связываться с кристаллами льда через большую дополнительную поверхность и тем самым создавать тепловой гистерезис и снижать температуру, при которой может расти организм (Jia & Davies, 2002).АФП недавно были продемонстрированы у бактерий антарктических озер (Gilbert et al , 2004), одна из которых, из Marinomonas primoryensis , является Ca 2+ -зависимой и гиперактивной (Gilbert et al , 2005). АФП арктической ризобактерии Pseudomonas putida GR12-2, стимулирующей рост растений, проявляет как антифризную, так и ледяную активность (Muryoi et al , 2004).

Трегалоза и экзополисахариды (ЭПС) также могут играть важную роль в криозащите психрофилов.Считается, что трегалоза оказывает коллигативное действие, но, вероятно, также помогает предотвратить денатурацию и агрегацию белков (Phadtare, 2004). И наоборот, высокие концентрации ЭПС были обнаружены в антарктических морских бактериях (Nichols et al , 2005) и в арктическом зимнем морском льду (Krembs et al , 2002). Они изменяют физико-химическую среду бактериальных клеток, участвуют в адгезии клеток к поверхностям и удержанию воды, способствуют секвестрации и концентрации питательных веществ, удерживают и защищают внеклеточные ферменты от денатурации холодом, а также действуют как цитопротекторы (Mancuso Nichols et al , 2005).

Холодоадаптированные ферменты

Наиболее важное селективное давление низких температур оказывается на скорости химических реакций, большинство из которых экспоненциально падают с понижением температуры в соответствии с: — коэффициент передачи, k B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура в Кельвинах, h — постоянная Планка, R — газовая постоянная и Δ G # — энергия активации.κ обычно считается равным или близким к единице; однако этот коэффициент передачи существенно зависит от вязкости, что приводит к дальнейшему снижению k cat (Siddiqui et al , 2004). Несмотря на это, психрофилы продуцируют адаптированные к холоду ферменты, обладающие высокой удельной активностью при низких температурах (), часто на порядок выше, чем у их мезофильных собратьев (Feller & Gerday, 2003; Georlette et al , 2004; Рассел, 2000).Общепринятой гипотезой этой адаптации к холоду является взаимосвязь активность-стабильность-гибкость, которая предполагает, что психрофильные ферменты увеличивают гибкость своей структуры, чтобы компенсировать «замораживающий эффект» холодных мест обитания (Johns & Somero, 2004). Эта повышенная гибкость может относиться ко всему белку или может быть ограничена частями структуры, особенно теми, которые участвуют в катализе, и, вероятно, также ответственна за обычно наблюдаемую низкую стабильность белков, адаптированных к холоду (Collins et al , 2003; D Amico и др. , 2003).Наоборот, было показано, что активность и стабильность, по-видимому, не всегда обратно пропорциональны (Wintrode et al. , 2001). Однако в этом исследовании в основном использовались мультисубстратные ферменты и синтетические субстраты небольшого размера, которые могли давать результаты, отличные от результатов, полученных с природными субстратами большого размера; то есть специфичность фермента может быть просто смещена в сторону используемого субстрата.

Термозависимость активности адаптированной к холоду целлюлазы из Pseudoalteromonas haloplanktis (EGG) и ее мезофильного гомолога из Erwinia chrysanthemi (EGZ).

Кристаллографические структуры психрофильных белков указывают на то, что они не имеют необычных конформаций, а вместо этого имеют большое сходство со своими мезо- и термофильными гомологами. Для повышения гибкости наблюдалось множество структурных модификаций, которые приводят к ослаблению силы и/или количества стабилизирующих факторов — энтальпийных или энтропийных. К общим тенденциям относятся: уменьшение количества ионных пар, водородных связей и гидрофобных взаимодействий; снижение межсубъединичных взаимодействий; повышенное взаимодействие с растворителем; уменьшенная аполярная фракция в ядре; более высокая доступность к активному сайту; повышенное воздействие растворителя на аполярные остатки; снижение связывания кофактора; кластеризация остатков глицина; и более низкое содержание пролина и аргинина (см. Violot et al , 2005).

Сравнение термодинамических параметров активации психрофильных ферментов с их мезофильными гомологами (Lonhienne et al. , 2000) показывает, что высокая k cat этих ферментов при низких температурах обусловлена ​​уменьшением энтальпия активации Δ H # — уменьшение числа энтальпийных взаимодействий, которые необходимо разорвать при катализе. Это уменьшение частично компенсируется менее благоприятной энтропией активации Δ S # .В результате и как подтверждается отрицательными значениями Δ(Δ S # ) психромезо , фермент-субстратный комплекс в основном состоянии показывает более широкое распределение конформационных состояний. Следовательно, дополнительным эффектом повышенной гибкости должно быть более слабое связывание субстрата, что наблюдается по высоким значениям K M для многих психрофильных ферментов, которые взаимодействуют с крупными субстратами (Collins et al , 2002). Следовательно, эти катализаторы увеличивают k cat за счет K M , тогда как в некоторых внутриклеточных ферментах этому адаптивному дрейфу K M противодействует сохранение жестких структурных доменов (Bentahir et al. , 2000).

Другим эффектом низких температур на белки является холодовая денатурация, явление, которое, как полагают, происходит из-за дестабилизирующей гидратации (Махатадзе и Привалов, 1995).

Генемика и протеомика

. Три полных генома были секвенированы до сих пор: те, кто из Desulfotalea Psychrophila (RABUS et al , 2004), Colwellia Psychrerythraea 34H (methe et al , 2005) и псевдоальтеремонас галопланкты TAC125 (Medigue и др. , 2005).Черновые последовательности генома были получены из двух адаптированных к холоду архей: Methanogenium frigidum и Methanococcoides burtonii (Saunders et al , 2003). Как и ожидалось, в этих геномах идентифицировано несколько Csps и белков, участвующих в синтезе ненасыщенных жирных кислот. В дополнение к классическим липиддесатуразам у P.геном haloplanktis . Кроме того, у C. psychrerythraea были идентифицированы белки-переносчики β-кетоацила, β-кето-ацил-КоА-синтетазы и изомераза жирных кислот цис транс , которые могут повышать текучесть мембраны в зависимости от их -адаптированная активность или их усиленная экспрессия.

При низких температурах растворимость газов и образование токсичных активных форм кислорода (АФК) значительно увеличиваются. Чтобы противодействовать этому, C.psychrerythraea и D. psychrophila обладают повышенной антиоксидантной способностью благодаря наличию нескольких генов, кодирующих каталазы и супероксиддисмутазы. Напротив, P. haloplanktis развился путем подавления ряда активностей, которые вызывают АФК — например, полный путь метаболизма молибдоптерина отсутствует.

Аминокислотный состав протеома также обсуждался с точки зрения температурной адаптации. Сондерс и его коллеги (2003) показали, что при переходе от психрофильных к термофильным археям наблюдается тенденция к увеличению содержания лейцина и снижению содержания глутамина и треонина.Однако это наблюдение не было подтверждено работой с D. psychrophila , и было показано N-зависимое смещение (увеличение содержания аспарагина) в белках P. haloplanktis . Поэтому попытки найти специфические приспособления к холоду путем сравнения белков различных психрофильных, мезофильных и термофильных организмов дали неоднозначные результаты. Однако исследование, опубликованное Khachane et al. (2005), обнаружило значительную обратную корреляцию между содержанием урацила в 16S рРНК и оптимальной температурой роста культивируемых организмов.Они также предложили алгоритм для прогнозирования значений T opt некультивируемых прокариот, который может быть полезен для определения подходящих условий культивирования.

Протеомный подход был использован для получения глобального представления об адаптации к холоду на белковом уровне. И Csps, и Caps экспрессируются психрофилом Arthrobacter globiformis (Berger et al. , 1996) и психротрофом Aeromonas hydrophila (Imbert & Gancel, 2004), тогда как Seo et al. (2004) идентифицировали более 30 сверхэкспрессированных в Bacillus psychrosaccharolyticus в условиях психрофильного роста.Кроме того, белки, участвующие в процессах энергетического метаболизма, транскрипции и трансляции, а также в контроле качества белков, были идентифицированы при 4 °C в Methanococcoides burtonii (Goodchild et al , 2004a), а пролил цис транс изомераза была идентифицирована. в Shewanella sp. штамм SIB1 (Suzuki и др. , 2004).

Заключение

Психрофильные микроорганизмы успешно справились с двумя основными физическими проблемами, которым они подвергаются: низкая тепловая энергия и высокая вязкость, которые замедляют метаболический поток.Белки являются основными мишенями этих адаптаций, поскольку они контролируют равновесие между субстратами и продуктами, приток питательных веществ, отток продуктов жизнедеятельности, макромолекулярные сборки, динамику нуклеиновых кислот и соответствующую укладку. Их адаптация, по-видимому, зависит от большей гибкости ключевых частей молекулярной структуры или всего здания за счет пониженной стабильности, которая частично компенсирует замораживающее воздействие низких температур на трехмерную структуру. Как показали геномика и протеомика, белки холодового шока также сильно экспрессируются и могут играть решающую роль в фолдинге белков, контроле вторичной структуры нуклеиновых кислот, а также в транскрипции и трансляции.Такие подходы, как секвенирование генома, несомненно, прольют новый свет на другие характеристики этих удивительных организмов.

Ж.-К. Маркс, Г. Феллер, Т. Коллинз, К. Жердей и С. Д’Амико

Благодарности

Мы признательны за щедрую поддержку Institut Polaire Français, Национального фонда научных исследований (FNRS; Бельгия), Региона Валлонна (Бельгия) и Евросоюз. С.Д.’А. является постдокторантом FNRS.

Ссылки

  • Arthur H, Watson K (1976) Термическая адаптация у дрожжей: температура роста, мембранный липид и цитохромный состав психрофильных, мезофильных и термофильных дрожжей.J Bacteriol 128: 56–68 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Bentahir M, Feller G, Aittaleb M, Lamotte-Brasseur J, Himri T, Chessa JP, Gerday C (2000) Структурные, кинетические, и калориметрическая характеристика холодоактивной фосфоглицераткиназы из антарктического штамма Pseudomonas sp. ТАКII18. J Biol Chem 275: 11147–11153 [PubMed] [Google Scholar]
  • Berger F, Morellet N, Menu F, Potier P (1996) Холодовой шок и белки холодовой акклиматизации у психротрофной бактерии Arthrobacter globiformis SI55.J Bacteriol 178: 2999–3007 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Чинталапати С., Киран М.Д., Шиваджи С. (2004) Роль мембранных липидов жирных кислот в адаптации к холоду. Cell Mol Biol ( Noisy-le-grand ) 50: 631–642 [PubMed] [Google Scholar]
  • Collins T, Meuwis MA, Stals I, Claeyssens M, Feller G, Gerday C (2002) Новая семья 8 ксиланаза: функциональная и физико-химическая характеристика. J Biol Chem 277: 35133–35139 [PubMed] [Google Scholar]
  • Collins T, Meuwis MA, Gerday C, Feller G (2003) Активность, стабильность и гибкость гликозидаз, адаптированных к экстремальным тепловым условиям.J Mol Biol 328: 419–428 [PubMed] [Google Scholar]
  • D’Amico S, Marx JC, Gerday C, Feller G (2003) Отношения между активностью и стабильностью в экстремофильных ферментах. J Biol Chem 278: 7891–7896 [PubMed] [Google Scholar]
  • Deming JW (2002) Психрофилы и полярные регионы. Curr Opin Microbiol 5: 301–309 [PubMed] [Google Scholar]
  • Feller G, Gerday C (2003) Психрофильные ферменты: горячие темы адаптации к холоду. Nat Rev Microbiol 1: 200–208 [PubMed] [Google Scholar]
  • Fong NJ, Burgess ML, Barrow KD, Glenn DR (2001)Накопление каротиноидов в психротрофной бактерии Arthrobacter agilis в ответ на тепловой и солевой стресс.Appl Microbiol Biotechnol 56: 750–756 [PubMed] [Google Scholar]
  • Georlette D, Blaise V, Collins T, D’Amico S, Gratia E, Hoyoux A, Marx JC, Sonan G, Feller G, Gerday C (2004) ) Некоторым нравится холод: биокатализ при низких температурах. FEMS Microbiol Rev 28: 25–42 [PubMed] [Google Scholar]
  • Gilbert JA, Hill PJ, Dodd CE, Laybourn-Parry J (2004) Демонстрация активности антифризного белка у бактерий антарктических озер. Microbiology 150: 171–180 [PubMed] [Google Scholar]
  • Gilbert JA, Davies PL, Laybourn-Parry J (2005) Гиперактивный, Ca 2+ -зависимый антифризный белок антарктической бактерии.FEMS Microbiol Lett 245: 67–72 [PubMed] [Google Scholar]
  • Goodchild A, Raftery M, Saunders NF, Guilhaus M, Cavicchioli R (2004a) Биология адаптированных к холоду археонов, Methanococcoides burtonii , определенная протеомикой с использованием жидкости хроматография-тандемная масс-спектрометрия. J Proteome Res 3: 1164–1176 [PubMed] [Google Scholar]
  • Goodchild A, Saunders NF, Ertan H, Raftery M, Guilhaus M, Curmi PM, Cavicchioli R (2004b) Протеомное определение адаптации к холоду у антарктических архей , Метанококкоиды буртони .Mol Microbiol 53: 309–321 [PubMed] [Google Scholar]
  • Imbert M, Gancel F (2004) Влияние различных понижений температуры на синтез белка с помощью Aeromonas hydrophila . Curr Microbiol 49: 79–83 [PubMed] [Google Scholar]
  • Inouye M, Phadtare S (2004) Реакция на холодовой шок и адаптация микроорганизмов к температуре, близкой к температуре замерзания. Sci STKE 15 июня, стр. 26 [PubMed] [Google Scholar]
  • Jia Z, Davies PL (2002) Антифризные белки: необычное взаимодействие рецептор-лиганд.Trends Biochem Sci 27: 101–106 [PubMed] [Google Scholar]
  • Johns GC, Somero GN (2004) Эволюционная конвергенция в адаптации белков к температуре: A4-лактатдегидрогеназы тихоокеанских ласточек ( Chromis spp.). Mol Biol Evol 21: 314–320 [PubMed] [Google Scholar]
  • Хачане А.Н., Тиммис К.Н., душ Сантос В.А. (2005) Содержание урацила в 16S рРНК термофильных и психрофильных прокариот обратно пропорционально их оптимальным температурам роста. Nucleic Acids Res 33: 4016–4022 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Krembs C, Eicken H, Junge K, Deming JW (2002) Высокие концентрации экзополимерных веществ в арктическом зимнем морском льду: последствия для Круговорот углерода в полярном океане и криозащита диатомовых водорослей.Deep-Sea Res I 49: 2163–2181 [Google Scholar]
  • Lim J, Thomas T, Cavicchioli R (2000) Низкотемпературная регулируемая геликаза РНК DEAD-box из антарктических архей, Methanococcoides burtonii . J Mol Biol 297: 553–567 [PubMed] [Google Scholar]
  • Lonhienne T, Gerday C, Feller G (2000) Психрофильные ферменты: пересмотр термодинамических параметров активации может объяснить локальную гибкость. Biochim Biophys Acta 1543: 1–10 [PubMed] [Google Scholar]
  • Махатадзе Г.И., Привалов П.Л. (1995) Энергетика структуры белка.Adv Protein Chem 47: 307–425 [PubMed] [Google Scholar]
  • Mancuso Nichols CA, Guezennec J, Bowman JP (2005) Бактериальные экзополисахариды из экстремальных морских сред с особым учетом южного океана, морского льда и глубоководных районов. гидротермальные источники: обзор. Mar Biotechnol 7: 253–271 [PubMed] [Google Scholar]
  • Medigue C et al. (2005) Как справиться с холодом: геном универсальной морской антарктической бактерии Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125. Genome Res 15: 1325–1335 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Methe BA et al.(2005) Психрофильный образ жизни, выявленный последовательностью генома Colwellia psychrerythraea 34H посредством геномного и протеомного анализов. Proc Natl Acad Sci USA 102: 10913–10918 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Morita RY (1975) Психрофильные бактерии. Bacteriol Rev 39: 144–167 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Muryoi N, Sato M, Kaneko S, Kawahara H, Obata H, Yaish MW, Griffith M, Glick BR ​​(2004) Клонирование и экспрессия afpA , ген, кодирующий антифризный белок из стимулирующей рост арктических растений ризобактерии Pseudomonas putida GR12-2.J Bacteriol 186: 5661–5671 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Nichols CM, Lardiere SG, Bowman JP, Nichols PD, Gibson JAE, Guezennec J (2005) Химическая характеристика экзополисахаридов из антарктических морских бактерий. Microb Ecol 49: 578–589 [PubMed] [Google Scholar]
  • Пандей К.Д., Шукла С.П., Шукла П.Н., Гири Д.Д., Сингх Дж.С., Сингх П., Кашьяп А.К. (2004) Цианобактерии в Антарктиде: экология, физиология и адаптация к холоду. Cell Mol Biol ( Noisy-le-grand ) 50: 575–584 [PubMed] [Google Scholar]
  • Phadtare S (2004) Последние разработки в области бактериальной реакции на холодовой шок.Curr Issues Mol Biol 6: 125–136 [PubMed] [Google Scholar]
  • Rabus R et al. (2004)Геном Desulfotalea psychrophila , сульфатредуцирующей бактерии из постоянно холодных арктических отложений. Environ Microbiol 6: 887–902 [PubMed] [Google Scholar]
  • Ratkowsky DA, Olley J, Ross T (2005) Объединение влияния температуры на скорость роста бактерий и стабильность глобулярных белков. J Theor Biol 233: 351–362 [PubMed] [Google Scholar]
  • Ray MK, Kumar GS, Shivaji S (1994) Фосфорилирование мембранных белков в ответ на температуру в Антарктике Pseudomonas syringae .Microbiology 140: 3217–3223 [PubMed] [Google Scholar]
  • Russell NJ (1997) Психрофильные бактерии — молекулярные адаптации мембранных липидов. Comp Biochem Physiol Physiol 118: 489–493 [PubMed] [Google Scholar]
  • Russell NJ (2000) На пути к молекулярному пониманию холодовой активности ферментов психрофилов. Extremophiles 4: 83–90 [PubMed] [Google Scholar]
  • Saunders NF et al. (2003) Механизмы тепловой адаптации, выявленные в геномах антарктических архей Methanogenium frigidum и Methanococcoides burtonii .Genome Res 13: 1580–1588 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Seo JB, Kim HS, Jung GY, Nam MH, Chung JH, Kim JY, Yoo JS, Kim CW, Kwon O (2004) Психрофильность Bacillus psychrosaccharolyticus : протеомное исследование. Proteomics 4: 3654–3659 [PubMed] [Google Scholar]
  • Сиддики К.С., Бохари С.А., Афзал А.Дж., Сингх С. (2004) Новое термодинамическое соотношение, основанное на теории Крамерса, для изучения кинетики ферментов при высокой вязкости. IUBMB Life 56: 403–407 [PubMed] [Google Scholar]
  • Suzuki Y, Haruki M, Takano K, Morikawa M, Kanaya S (2004) Возможное участие белка члена семейства FKBP из психротрофной бактерии Shewanella sp.SIB1 в адаптации к холоду. Eur J Biochem 271: 1372–1381 [PubMed] [Google Scholar]
  • Tosco A, Birolo L, Madonna S, Lolli G, Sannia G, Marino G (2003) GroEL психрофильной бактерии Pseudoalteromonas haloplanktis TAC 125: молекулярный характеристика и клонирование генов. Extremophiles 7: 17–28 [PubMed] [Google Scholar]
  • Violot S, Aghajari N, Czjzek M, Feller G, Sonan GK, Gouet P, Gerday C, Haser R, Receveur-Brechot V (2005) Структура полного длина психрофильной целлюлазы из Pseudoalteromonas haloplanktis , выявленная методами рентгеноструктурного анализа и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей.J Mol Biol 348: 1211–1224 [PubMed] [Google Scholar]
  • Vishniac H, Klinger J (1986) Дрожжи в антарктических пустынях. В Megusar F, Gantar M (eds) Perspectives in Microbial Ecology. Труды 4-го ISME, стр. 46–51. Любляна, Словения: Словенское общество микробиологии. Biochim Biophys Acta 1549: 1–8 [PubMed] [Google Scholar]
  • Xu Y, Nogi Y, Kato C, Liang Z, Ruger HJ, De Kegel D, Glansdorff N (2003) Moritella profunda sp.ноябрь и Moritella abyssi sp. nov., два психропьезофильных организма, выделенных из глубоководных атлантических отложений. Int J Syst Evol Microbiol 53: 533–538 [PubMed] [Google Scholar]
  • Yoshimune K, Galkin A, Kulakova L, Yoshimura T, Esaki N (2005) Холодно-активная ДНК антарктического психротрофа Shewanella sp. Ас10, поддерживающий рост нулевых по ДНК мутантов Escherichia coli при низких температурах. Extremophiles 9: 145–150 [PubMed] [Google Scholar]

Трехмерная идентификация микроорганизмов с использованием цифрового голографического микроскопа

Abstract

В этой статье описывается метод трехмерного (3D) анализа сдвиг-инвариантного паттерна распознавание и применяется к голографическим изображениям, реконструированным в цифровом виде с помощью голографических микроскопов.Показано, что последовательное применение 2D-фильтра к плоскостной реконструкции оптического поля точно эквивалентно применению более общего фильтра с 3D-импульсной характеристикой. Мы показываем, что таким образом можно реализовать любые трехмерные фильтры с произвольной импульсной характеристикой. Этот тип обработки применяется к двухклассовой задаче различения разных типов бактерий. Показано, что предложенная методика может быть легко реализована с использованием модифицированного микроскопа для разработки мощной и экономичной системы с большим потенциалом для биологического скрининга.

1. Введение

В прошлом для получения изображений с высоким разрешением трехмерных (3D) объектов или вещества, взвешенного в объеме жидкости, в основном использовались конфокальные микроскопы [1]. Однако в последние годы внимание вернулось к широкопольной оптической микроскопии с использованием методов когерентного освещения и голографической записи, которые используют достижения в области цифровых изображений и обработки изображений для вычисления трехмерных изображений. Напротив, с конфокальной визуализацией когерентная микроскопия предоставляет трехмерную информацию из одной записи, которую можно обрабатывать для получения режимов визуализации, аналогичных темному полю, фазовому или интерференционному контрасту по мере необходимости [2–7].По сравнению с некогерентными микроскопами когерентный прибор дает изображение, которое можно сфокусировать на более позднем этапе, и его можно рассматривать как микроскоп с увеличенной глубиной резкости. Для экранирования большое значение имеет увеличенная глубина резкости, особенно при большом увеличении и высокой числовой апертуре. Например, обычный микроскоп с большим увеличением имеет глубину резкости всего несколько микрон, тогда как сопоставимый когерентный инструмент может иметь глубину резкости несколько миллиметров или около того.Это означает, что по информации, содержащейся в одной цифровой записи, можно выделить примерно в 1000 раз больший объем жидкости [8].

Потенциал когерентных микроскопов для автоматизированного биологического скрининга явно зависит от разработки надежных алгоритмов распознавания изображений или образов [9]. По сути, применение методов распознавания образов к связным изображениям аналогично применению к их бессвязным аналогам. Задачу можно определить как выделение интересующих объектов (т.например, вредные бактерии) от других предметов (например, клеточной ткани и доброкачественных бактерий). Этот процесс должен выполняться независимо от положения и ориентации интересующих объектов на изображении. Это может быть выполнено с использованием вариаций корреляционной обработки. В прошлом обработка линейной корреляции подвергалась критике за отсутствие инвариантности к вращению и неспособность обобщать, как классификаторы нейронных сетей; однако каскад корреляторов, разделенных нелинейными (решающими) слоями, значительно повысил производительность [5, 10].Кроме того, мы показали, что именно эту архитектуру предполагает классификатор нейронной сети, если он обучен обеспечивать инвариантный к сдвигу вывод [11, 12].

Применение линейной корреляционной обработки к сложным изображениям, записанным цифровым фазовращающим интерферометром, недавно было продемонстрировано Джавиди и Таджауэрсе [13]. Методы распознавания образов, реализованные с использованием голографического микроскопа для обнаружения микрообъектов, также рассматривались Dubois et al.[5, 14] В этих работах трехмерное поле выборки реконструировалось плоскость за плоскостью, а классификация изображений выполнялась путем применения двумерного корреляционного фильтра к каждой из реконструированных плоскостей. Однако следует отметить, что, хотя 2D-корреляция может применяться независимо к разным плоскостям изображения, она не принимает во внимание истинную природу 3D-оптических полей, а также то, что информация в любых двух плоскостях этих полей на самом деле сильно коррелирует. [15].

В этой статье мы рассмотрели, исходя из первых принципов, трехмерное распознавание образов, инвариантное к сдвигу, применяемое к оптическим полям, восстановленным из цифровых голографических записей.Будет показано, что последовательное применение 2D-фильтра к плоскостным реконструкциям точно эквивалентно применению 3D-фильтра к полной 3D-реконструкции оптического поля. Однако линейный фильтр, разработанный на основе плоскости фокуса, не обязательно будет работать для плоскостей вне фокуса, и поэтому в оптическое поле распространения вводится схема трехмерной нелинейной фильтрации. Трехмерный нелинейный фильтр представляет собой систему, реализованную с общей импульсной характеристикой, за которой следует нелинейный порог.Мы экспериментально докажем, что структура трехмерной нелинейной фильтрации может значительно повысить эффективность классификации при распознавании трехмерных образов. В эксперименте мы применим 3D-нелинейный фильтр к 3D-изображениям двух типов бактерий, записанным с помощью голографического микроскопа, и продемонстрируем улучшенную эффективность классификации.

2. Теория

Во-первых, мы определяем трехмерную взаимную корреляцию комплексных функций u ( r ) и h ( r ) как

R(r)=∫−∞+∞u(x)h(x−r)dx,

(1)

где r — вектор положения, а d x условно обозначает скалярную величину ( dx , dy , dz ).Предположим, что H ( k ) и U ( k ) являются преобразованиями Фурье h ( r ) и u ( r 900 ) соответственно; по теореме свертки R ( r ) также можно записать:

R(r)=∫−∞+∞U(k)H∗(k)ej2πk·rdk,

(2)

где верхний индекс * означает комплексное сопряжение. Для целей распознавания образов (1) и (2) являются эквивалентными способами описания процесса корреляционной фильтрации, определенной в пространственной и частотной областях соответственно.

Из (1) и (2) ясно, что в целом трехмерная корреляционная фильтрация требует трехмерной интеграции (либо в пространственной, либо в частотной областях). Однако это не тот случай, когда корреляционная фильтрация применяется к монохроматическим оптическим полям, распространяющимся вперед, обычно это голографическая реконструкция оптических полей с помощью цифровых или оптических средств. По сути, это связано с тем, что U ( k ) отлично от нуля только в пределах области двумерной поверхности, и, следовательно, u ( r ) сильно коррелированы.

Согласно скалярной теории дифракции комплексная амплитуда u ( r ), представляющая распространение монохроматического оптического поля в однородном диэлектрике, должна подчиняться уравнению Гельмгольца [16], так что

2 U ( R ) + 4 π 2 K 2 U ( R ) = 0,

(3)

где k — константа. Если пренебречь затухающими волнами, возникающими вблизи границ и других препятствий, хорошо известно, что решениями этого уравнения являются плоские волны вида:

U ( R ) = A EXP⁡ ( J 2 π K · R ),

(4)

где A — комплексная константа.В этих уравнениях k и k являются волновым числом и волновым вектором соответственно и определены здесь так, что k = | к | = 1/ λ , где λ — длина волны. Как следствие, любое монохроматическое оптическое поле, распространяющееся в однородном диэлектрике, полностью описывается суперпозицией плоских волн, таких что

u(r)=∫−∞+∞U(k)exp⁡(j2πk·r)dk,

(5)

где U ( k ) — спектральная плотность, а U ( k ) — преобразование Фурье u ( r ), такое, что

U(k)=∫−∞+∞u(r)exp⁡(−j2πk·r)dk.

(6)

Следует отметить, что поскольку u ( r ) состоит из плоских волн с одной длиной волны, значения U ( k ) существуют только на бесконечно тонкой сферической оболочке с радиус к = | к | = 1/ λ . Следовательно, если обычный трехмерный корреляционный фильтр с передаточной функцией H ( k ) применяется к монохроматическому оптическому полю U ( k ), то в частотной области произведение U ( k ) H *( k ) также отлична от нуля только на сферической оболочке и, следовательно, будет подчиняться уравнению Гельмгольца.Если разложить (5), то

u(rx,ry,rz)  =∭∞U(kx,ky,kz)exp⁡(j2π(kxrx+kyry+kzrz))δ      ×(kz±1λ2−kx2−ky2)dkxdkydkz  =∬∞U( kx,ky,±1λ2−kx2−ky2)     ×exp⁡(j2π(kxrx+kyry              ∓rz1λ2−kx2−ky2))dkxdky.

(7)

Квадратный корень в этих уравнениях представляет свет, распространяющийся через плоскость xy в положительном и отрицательном направлениях z соответственно. Поскольку большинство голографических записей фиксируют поток только в одном направлении, мы будем рассматривать только положительный корень.Согласно (7) можно определить U з ( к х , к y ) как двумерная проекция спектра на плоскость, k z = 0, такие, что

Uz(kx,ky)=U(kx,ky,1λ2−kx2−ky2).

(8)

Если и З ( р х , р y ) представляет оптическое поле в плоскости r z = Z , имеем

uZ(rx,ry)  =∬∞UZ(kx,ky)exp⁡(j2πZ1λ2−kx2−ky2)     ×exp⁡(j2π(kxrx+kyry))dkxdky.

(9)

Кроме того, при преобразовании Фурье имеем

UZ(kx,ky)  =exp⁡(−j2πZ1λ2−kx2−ky2)   ×∬∞uZ(rx,ry)exp⁡(−j2π(kxrx+kyry))drxdry.

(10)

Уравнение (10) позволяет рассчитать спектр, зная оптическое поле, распространяющееся через одну плоскость. Уравнение (9) позволяет рассчитать поле в любой параллельной плоскости.

Если мы рассмотрим применение общего 3D-фильтра к реконструкции распространяющегося монохроматического поля, мы помним, что произведение U ( k ) H *( k ) существует только на поверхности сфера.Следовательно, согласно выводу из (7) в (9), имеем

RZ(rx,ry)=∫−∞+∞UZ(kx,ky)Hz∗(kx,ky)    ×exp⁡(j2πZ1λ2−kx2−ky2)    ×exp⁡(j2π(rxkx+rxky))dkxdky,

(11)

где р З ( р х , р y ) — вывод трехмерной корреляции в плоскости r z = Z , и

HZ(kx,ky)=H(kx,ky,1λ2−kx2−ky2).

(12)

Наконец, отметим, что в пространственной области корреляция

RZ(rx,ry)=∫−∞+∞uZ(u,v)hZ(u−rx,v−ry)du dv,

(13)

куда

hZ(rx,ry)=∫−∞+∞HZ(kx,ky)    ×exp⁡(−j2π(rxkx+rxky))dkxdky.

(14)

Уравнение (13) показывает, что одна плоскость ( r z = Z ) трехмерной корреляции распространяющегося оптического поля, u ( r ), с общей функцией импульсного отклика, h ( r ), можно рассчитать как a 2D корреляция поля в этой плоскости, u З ( р х , р г ) с импульсной функцией, ч З ( р х , р y ), что определяется формулой (14).

В недавней литературе двумерная корреляционная фильтрация применялась к сложным изображениям, реконструированным с помощью цифрового голографического микроскопа [14]. На практике цифровой голографический микроскоп измеряет комплексную амплитуду в плоскости фокуса, а изображения комплексной амплитуды в параллельных плоскостях рассчитываются на основе оптической теории распространения. Следует отметить, что линейный фильтр, предназначенный для хорошей работы в одной плоскости фокусировки, не обязательно будет работать хорошо в другой, и поэтому требуется процесс нелинейной фильтрации.

Когда трехмерное комплексное амплитудное распределение выборок восстанавливается из цифровой голографической записи, для распознавания образов можно применять корреляционные фильтры. В области статистического распознавания образов принято описывать оцифрованное изображение любой размерности упорядоченными переменными в векторе [17], и мы принимаем это обозначение здесь. Таким образом, дискретная форма сложного трехмерного изображения может быть записана в векторной записи путем лексикографического сканирования массива трехмерного изображения., можно выразить как

где нижний индекс у каждого оператора обозначает слой, в котором применяется данный оператор.

Не ограничивая общности, мы разрабатываем трехмерный нелинейный фильтр для генерации дельта-функции для распознаваемых объектов и нулевых выходных данных для отбрасываемых шаблонов. Для этой цели мы определяем матричный набор S из m эталонных изображений таким образом, что S = [ s 1 , с 2 ,…, с m ] и соответствующая выходная матрица, R , определяется как

Для оптимизации трехмерного нелинейного фильтра определена матрица O со всеми желаемыми изображениями выходной интенсивности.В общем, желаемые выходные данные для изображений в классе будут вектором с нулевым значением, первый элемент которого имеет единичную величину, а для изображения вне класса желаемый выходной результат равен нулю. Чтобы обучить фильтр с желаемой производительностью, необходимо минимизировать приведенную ниже функцию ошибки:

E=∑i=1, j=1n,m(Rij−Oij)2+n∑j=1m(R1j−O1j)2,

(21)

где р и и О ij представляют i -й пиксель обучающего и выходного изображения j соответственно.Первый член в этом выражении — это отклонение фактического результата от желаемого. Второй член представляет пики сигнала (которые для простоты определены как первый член в выходном векторе) и получает дополнительный вес, чтобы гарантировать, что они имеют желаемую единичную величину. Поскольку (21) является нелинейной функцией с большим числом переменных, найти аналитическое решение не представляется возможным. Следовательно, в процессе минимизации используется итерационный метод. В данном случае при оптимизации был реализован алгоритм имитации отжига, поскольку он с большей вероятностью достигает глобального минимума [18].

В практических реализациях трехмерного нелинейного фильтра, описанного в этой статье, нам требуется фильтр для выявления присутствия довольно маленьких объектов в относительно большом поле. В этих случаях используется относительно небольшое ядро ​​фильтра, и ядро ​​дополняется нулями до того же размера, что и входное изображение. В тесте этой статьи обучающие изображения выбраны из 32 × 32 × 16 элементов, и мы используем передаточную функцию 16 × 16 элементов (2D). Выход фильтра, ядро ​​фильтра и желаемые выходные изображения дополняются нулями до разрешения 32 × 32 × 16 элементов.Таким образом можно избежать краевых эффектов при распознавании образов для больших изображений.

3. Эксперимент

Цель работы, описанной в этом разделе, состояла в том, чтобы продемонстрировать трехмерное распознавание образов инвариантности вращения на основе цифровой голографической микроскопии для классификации двух видов живых бактерий, E. coli и Pantoea .

Установка цифрового голографического микроскопа, использованная для этого исследования, показана на . В этой схеме гелий-неоновый лазер (633 нм) используется в качестве когерентного источника света и делится светоделителем на пару оптических волокон одинаковой длины.Одно волокно подает свет, который формирует объектный пучок для голографической записи и коллимируется. Микроскоп работает в просвечивающем режиме и имеет объектив со 100-кратным увеличением и масляный иммерсионный объектив с эквивалентной числовой апертурой NA = 1,25. Плоскость объекта отображается на ПЗС-матрице, расположенной примерно в 200 мм от объектива. Следует отметить, что, поскольку микроскоп является голографическим, интересующий объект не обязательно должен располагаться в плоскости объекта.

Голографический микроскоп с когерентным лазерным источником.

Волокно, подающее эталонный пучок, имеет открытый конец, расходящийся от точки в задней фокальной плоскости объектива микроскопа. Таким образом, на ПЗС регистрируется интерференция света от опорного луча и рассеянного света. Кривизна фазы, вносимая процессом формирования изображения [19], точно соответствует эталонной кривизне, и в плоскости изображения в отсутствие каких-либо рассеивающих объектов наблюдаются прямые интерференционные полосы.Из анализа в разделе 2 видно, что интерференционная картина, записанная ПЗС, может быть демодулирована для получения комплексной амплитуды, описывающей распространяющееся поле в плоскости объекта. Из соображений эффективности обработки были предприняты меры по настройке увеличения микроскопа в соответствии с разрешением ПЗС, чтобы получить реконструкцию с оптимальной выборкой (Найквиста).

Голографический микроскоп оснащен проточной кюветой, определяющей экспериментальный объем.Питательная жидкость с двумя видами живых бактерий, E. coli и Pantoea , вводится шприцем в проточную кювету через трубку. показано изображение, снятое с микроскопа, соответствующее абсолютному значению комплексной амплитуды в плоскости объекта. На этом изображении бактерии, известные как E. coli , выделены кружками; некоторые бактерии, находящиеся не в фокусе, на этой плоскости невидимы. показывает трехмерное изображение поля, реконструированное с использованием метода, продемонстрированного в предыдущем разделе.

Голографическое изображение с полем зрения 72 × 72  мкм м (показано абсолютное значение).

Трехмерное изображение оптического поля, восстановленное из .

В этом исследовании трехмерный нелинейный фильтр был обучен выделять живые бактерии E. coli , плавающие в проточной кювете, в то время как бактерии Pantoea будут игнорироваться. Однако подготовка эталонного набора является одной из самых сложных проблем для идентификации живых клеток, поскольку каждая из живых бактерий различается по размеру и форме и появляется в произвольной ориентации.Чтобы распознать бактерии независимо от их формы и ориентации, необходимо предоставить адекватные репрезентативные искажения изображений бактерий для трехмерного нелинейного фильтра в качестве эталонных изображений.

Изображения бактерий, зарегистрированные в качестве обучающего набора, могут быть получены путем непосредственного вырезания изображений клеток из трехмерного реконструированного поля или путем имитации записанных изображений. Например, выбранное изображение бактерий можно повернуть, чтобы создать несколько вариантов ориентации. показывает восемь изображений абсолютного значения типичного стержнеобразного E.coli поворачивали с шагом 45 градусов. Бактерии Pantoea имеют аналогичную палочковидную форму, но немного отличаются по размеру от E . кишечная палочка . показывает один из выбранных Pantoea в восьми различных повернутых версиях.

Типичные бактерии (a) E. coli и (b) Pantoea в различных повернутых ориентациях.

Чтобы продемонстрировать эффективность трехмерного нелинейного фильтра, мы обучаем систему обнаруживать бактерий E. coli с помощью 42 изображений, включая 25 E.coli и 17 изображений Pantoea , и фильтр тестируется с изображением комплексной амплитуды в формате . показывает 3D-изображение вывода 3D-фильтра. сообщает проекцию выходного объема на плоскость. Можно видеть, что большинство из бактерий E. coli были выделены пиками корреляции, а Pantoea были проигнорированы. Однако небольшая часть E. coli не может быть обнаружена; это связано с тем, что обучающий набор с ограниченным количеством эталонных изображений не отражает все искажения и ориентации бактерий.Ожидается, что скорость классификации может быть улучшена, если в обучающий набор будет включено больше эталонных изображений.

Трехмерный результат для трехмерного нелинейного фильтра, обученного распознавать E. coli (показано абсолютное значение амплитуды).

Проекция выходного объема (показано абсолютное значение амплитуды).

1.2A Типы микроорганизмов — Биология LibreTexts

Микроорганизмы составляют большую часть живого материала планеты и играют важную роль в поддержании экосистемы Земли.

Цели обучения

  • Определить различия между микробными организмами.

Ключевые моменты

  • Микроорганизмы делятся на семь типов: бактерии, археи, простейшие, водоросли, грибы, вирусы и многоклеточные паразиты животных (гельминты).
  • Каждый тип имеет характерный клеточный состав, морфологию, способ передвижения и размножение.
  • Микроорганизмы полезны для производства кислорода, разложения органического материала, обеспечения растений питательными веществами и поддержания здоровья человека, но некоторые из них могут быть патогенными и вызывать заболевания у растений и людей.

Основные термины

  • Окраска по Граму : Метод дифференциации видов бактерий на две большие группы (грамположительные и грамотрицательные).
  • пептидогликан : полимер гликана и пептидов, обнаруженный в стенках бактериальных клеток.

Микроорганизмы или микробы представляют собой микроскопические организмы, которые существуют в виде одноклеточных, многоклеточных или скоплений клеток. Микроорганизмы широко распространены в природе и полезны для жизни, но некоторые могут причинить серьезный вред.Их можно разделить на шесть основных типов: бактерии, археи, грибы, простейшие, водоросли и вирусы.

Бактерии

Бактерии — одноклеточные организмы. Клетки описываются как прокариотические, потому что у них нет ядра. Они существуют в четырех основных формах: бацилла (стержневая форма), кокк (сферическая форма), спирилла (спиральная форма) и вибрион (изогнутая форма). Большинство бактерий имеют пептидогликановую клеточную стенку; они делятся бинарным делением; и они могут иметь жгутики для подвижности. Различие в структуре их клеточной стенки является основным признаком, используемым при классификации этих организмов.

В зависимости от того, как окрашивается структура их клеточной стенки, бактерии можно классифицировать как грамположительные или грамотрицательные при использовании окрашивания по Граму. В зависимости от реакции на газообразный кислород бактерии можно разделить на следующие группы: аэробные (живущие в присутствии кислорода), анаэробные (живущие без кислорода) и факультативные анаэробы (могут жить в обеих средах).

По способу получения энергии бактерии делятся на гетеротрофов и автотрофов.Автотрофы производят себе пищу, используя энергию солнечного света или химические реакции, и в этом случае их называют хемоавтотрофами. Гетеротрофы получают энергию, потребляя другие организмы. Бактерии, которые используют разлагающиеся формы жизни в качестве источника энергии, называются сапрофитами.

Археи

Археи или архебактерии отличаются от настоящих бактерий структурой клеточной стенки и отсутствием пептидогликанов. Это прокариотические клетки, устойчивые к экстремальным условиям окружающей среды.В зависимости от среды обитания всех архей можно разделить на следующие группы: метаногены (организмы, производящие метан), галофилы (археи, живущие в соленой среде), термофилы (археи, живущие при экстремально высоких температурах) и психрофилы (холоднотемпературные организмы). археи). Археи используют различные источники энергии, такие как газообразный водород, углекислый газ и сера. Некоторые из них используют солнечный свет для производства энергии, но не так, как это делают растения. Они поглощают солнечный свет, используя пигмент своей мембраны, бактериородопсин.Это реагирует со светом, что приводит к образованию энергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Грибы

Грибы (грибы, плесени и дрожжи) — это эукариотические клетки (с истинным ядром). Большинство грибов многоклеточные, а их клеточная стенка состоит из хитина. Они получают питательные вещества, поглощая органический материал из окружающей среды (редуценты), через симбиотические отношения с растениями (симбионты) или вредные отношения с хозяином (паразиты). Они образуют характерные нитевидные трубки, называемые гифами, которые помогают поглощать материал.Совокупность гиф называется мицелием. Грибы размножаются, выделяя споры.

Простейшие

Простейшие — одноклеточные аэробные эукариоты. У них есть ядро, сложные органеллы, и они получают питание путем всасывания или проглатывания через специализированные структуры. Они составляют самую большую группу организмов в мире с точки зрения численности, биомассы и разнообразия. Их клеточные стенки состоят из целлюлозы. Простейшие традиционно подразделяются в зависимости от их способа передвижения: жгутиковые производят свою собственную пищу и используют свою хлыстообразную структуру для продвижения вперед, инфузории имеют крошечные волосы, которые бьются, чтобы производить движение, амебоиды имеют ложные ноги или псевдоподии, используемые для питания и передвижения. а споровики неподвижны.У них также есть разные способы питания, которые группируют их как автотрофов или гетеротрофов.

Водоросли

Водоросли, также называемые цианобактериями или сине-зелеными водорослями, представляют собой одноклеточные или многоклеточные эукариоты, получающие питание за счет фотосинтеза. Они живут в воде, влажной почве и камнях и производят кислород и углеводы, используемые другими организмами. Считается, что цианобактерии являются прародителями зеленых растений.

Вирусы

Вирусы представляют собой неклеточные образования, состоящие из ядра нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженного белковой оболочкой.Хотя вирусы классифицируются как микроорганизмы, они не считаются живыми организмами. Вирусы не могут воспроизводиться вне клетки-хозяина и не могут метаболизироваться самостоятельно. Вирусы часто поражают прокариотические и эукариотические клетки, вызывая заболевания.

Многоклеточные паразиты животных

Группа эукариотических организмов, состоящая из плоских и круглых червей, которые в совокупности называются гельминтами. Хотя они не являются микроорганизмами по определению, поскольку они достаточно велики, чтобы их можно было легко увидеть невооруженным глазом, часть своего жизненного цикла они проживают в микроскопической форме.Поскольку паразитические гельминты имеют клиническое значение, их часто обсуждают наравне с другими группами микробов.

Рисунок: . Окраска по Граму. жизни показывает различные виды микроорганизмов.

генетически модифицированных организмов | Национальное географическое общество

Генетически модифицированный организм (ГМО) — это животное, растение или микроб, ДНК которого была изменена с помощью методов генной инженерии.

На протяжении тысячелетий люди использовали методы селекции для модификации организмов. Кукуруза, крупный рогатый скот и даже собаки выборочно разводились на протяжении поколений, чтобы иметь определенные желаемые черты. Однако за последние несколько десятилетий современные достижения в области биотехнологии позволили ученым напрямую модифицировать ДНК микроорганизмов, сельскохозяйственных культур и животных.

Традиционные методы модификации растений и животных — селекция и скрещивание — могут занять много времени. Более того, селекционное разведение и скрещивание часто дают неоднозначные результаты, когда наряду с желаемыми характеристиками проявляются нежелательные черты.Специфическая целенаправленная модификация ДНК с помощью биотехнологии позволила ученым избежать этой проблемы и улучшить генетический состав организма без присоединения нежелательных характеристик.

Большинство животных, которые являются ГМО, производятся для использования в лабораторных исследованиях. Этих животных используют в качестве «моделей» для изучения функций определенных генов и, как правило, того, как гены связаны со здоровьем и болезнями. Однако некоторые ГМО-животные производятся для потребления человеком. Лосось, например, был генетически модифицирован для более быстрого созревания, а U.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов заявило, что эту рыбу можно есть.

ГМО, пожалуй, наиболее заметны в разделе продуктов. Первые генетически модифицированные растения, предназначенные для потребления человеком, были представлены в середине 1990-х годов. Сегодня примерно 90 процентов кукурузы, соевых бобов и сахарной свеклы на рынке являются ГМО. Генно-модифицированные культуры дают более высокие урожаи, имеют более длительный срок хранения, устойчивы к болезням и вредителям и даже вкуснее. Эти преимущества являются плюсом как для фермеров, так и для потребителей.Например, более высокие урожаи и более длительный срок хранения могут привести к снижению цен для потребителей, а устойчивые к вредителям культуры означают, что фермерам не нужно покупать и использовать столько пестицидов для выращивания качественных культур. Таким образом, ГМО-культуры могут быть более благоприятными для окружающей среды, чем традиционно выращенные культуры.

Однако

Генетически модифицированные продукты вызывают споры. Генная инженерия обычно изменяет организм так, как это невозможно в природе. Ученые даже часто вставляют гены в организм из совершенно другого организма.Это повышает возможный риск неожиданных аллергических реакций на некоторые ГМО-продукты. Другие опасения включают возможность распространения генетически модифицированной чужеродной ДНК на растения и животных, не содержащие ГМО. До сих пор ни один из ГМО, разрешенных к употреблению, не вызывал ни одной из этих проблем, а пищевые продукты с ГМО подлежат регулированию и строгой оценке безопасности.

В будущем ГМО, вероятно, продолжат играть важную роль в биомедицинских исследованиях. ГМО-продукты могут обеспечить лучшее питание и, возможно, даже содержать лекарственные соединения для улучшения здоровья человека.Если можно будет показать, что ГМО безопасны и полезны для здоровья, устойчивость потребителей к этим продуктам, скорее всего, уменьшится.

 

Магазин сладостей в Миэ предлагает «милое» печенье в форме микроорганизмов

КУВАНА, префектура Миэ. В магазине сладостей продается печенье в форме микроорганизмов, бросающее вызов общепринятым представлениям о хорошем вкусе, в надежде, что люди, которые его съедят, будут добрее друг к другу.

37-летний Кодзуэ Курита, владелец магазина печенья Kurimaro Collection, погрузился в мир живых существ, чтобы выпустить новую серию печенья в форме микроорганизмов.

К ним относятся Rhodopseudomonas, род бактерий, обитающих в грязной воде для производства водорода, и водяной медведь, известный как «самое выносливое существо на Земле», поскольку он может выдерживать радиацию, высокие и низкие температуры и даже недостаток кислорода.

«Клиенты вспоминают свой опыт общения с настоящими существами через печенье», — говорит она. «Это приводит к чувству заботы о других людях и существах».

Печенье, созданное по образцу водяного медведя, которого называют «самым крутым существом в мире» (Канако Минаки).

В ряд ее любимых микроорганизмов входят дафния, планария и амеба.

Курита, который сделал печенье в форме почти 400 видов существ, от собак и кошек до насекомых, даже обратился за советом к Рё Хонде, доценту Университета Канадзава в префектуре Исикава, который изучает микроорганизмы, живущие в сточных водах и воде. обработка.

Он дал кондитеру совет, как выбрать микроорганизмы, а также как воссоздать их форму и цвет.

Несмотря на то, что она старается сделать свои проекты реалистичными, она уделяет наибольшее внимание тому, чтобы они выглядели мило.»

Чтобы выразить их характерные формы, Курита вручную изготавливает формы для печенья, сгибая алюминиевую пластину с помощью клещей.

Она также избирательна в отношении ингредиентов. Она делает печенье из муки и соли, произведенных в префектуре Миэ, и использует натуральные красители, извлеченные из овощей и фруктов, для окрашивания своих творений.

Она также выпекает печенье при низкой температуре, чтобы оно не подгорело, и дает ему сохнуть в течение долгих часов.

Родившийся в Асахи префектуры Миэ, Курита в детстве выращивал личинок стрекоз и капустных червей, наслаждаясь просмотром иллюстрированных энциклопедий, чтобы воспроизвести этих существ.

Для получения дополнительной информации посетите эксклюзивный веб-сайт (https://shop.cookie-kurimaro.com/).

Кодзуэ Курита держит печенье, созданное по образцу микроорганизмов, в своем магазине печенья «Коллекция Куримаро» в Куване, префектура Миэ, 25 августа. (Канако Минаки)

Этот странный микроб может ознаменовать один из больших скачков жизни

Причудливый микроб с щупальцами, обнаруженный на дне Тихого океана, может помочь объяснить происхождение сложной жизни на этой планете и решить одну из самых глубоких тайн биологии, сообщили ученые в среду .

Два миллиарда лет назад простые клетки дали начало гораздо более сложным клеткам. Биологи десятилетиями пытались понять, как это произошло.

Ученым давно известно, что на пути эволюции должны были быть предшественники. Но, судя по летописи окаменелостей, сложные клетки возникли просто из ниоткуда.

Новый вид, названный Prometheoarchaeum, оказывается именно такой переходной формой, помогающей объяснить происхождение всех животных, растений, грибов — и, конечно же, человека.Об исследовании сообщается в журнале Nature.

«На самом деле это довольно круто — это окажет большое влияние на науку», — сказала Криста Шлепер, микробиолог из Венского университета, которая не участвовала в новом исследовании.

Наши камеры забиты контейнерами. Например, они хранят ДНК в ядре и вырабатывают топливо в отсеках, называемых митохондриями. Они разрушают старые белки внутри крошечных хозяйственных машин, называемых лизосомами.

Наши клетки также строят себе скелет из нитей, построенных из строительных блоков, подобных Lego.Растягивая одни нити и разрывая другие, клетки могут менять свою форму и даже перемещаться по поверхности.

Виды, которые разделяют эти сложные клетки, известны как эукариоты, и все они происходят от общего предка, жившего примерно два миллиарда лет назад.

До этого мир был домом только для бактерий и группы маленьких простых организмов, называемых археями. Бактерии и археи не имеют ядер, лизосом, митохондрий или скелета.

Биологи-эволюционисты долго ломали голову над тем, как эукариоты могли развиться из таких простых предшественников.

В конце 1900-х годов исследователи обнаружили, что митохондрии когда-то были свободноживущими бактериями. Каким-то образом их затянуло внутрь другой клетки, обеспечив своим хозяином новое топливо.

В 2015 году Тийс Эттема из Упсальского университета в Швеции и его коллеги обнаружили фрагменты ДНК в отложениях, извлеченных из Северного Ледовитого океана. Фрагменты содержали гены вида архей, которые, по-видимому, были тесно связаны с эукариотами.

Доктор Эттема и его коллеги назвали их археями Асгарда.(Асгард — дом скандинавских богов.) ДНК этих таинственных микробов была обнаружена в реке в Северной Каролине, горячих источниках в Новой Зеландии и других местах по всему миру.

Асгардские археи полагаются на ряд генов, которые ранее были обнаружены только у эукариот. Возможно, эти микробы использовали эти гены для тех же целей — или для чего-то еще.

«Пока у вас нет организма, вы не можете быть уверены», — сказал доктор Шлепер.

Масару К. Нобу, микробиологу из Национального института передовых промышленных наук и технологий в Цукубе, Япония, и его коллегам удалось вырастить эти организмы в лаборатории.Усилия заняли более десяти лет.

Микробы, приспособленные к жизни на холодном морском дне, живут в замедленном темпе. Prometheoarchaeum может делиться до 25 дней. Напротив, кишечная палочка делится каждые 20 минут.

Проект начался в 2006 году, когда исследователи подняли отложения со дна Тихого океана. Первоначально они надеялись изолировать микробы, питающиеся метаном, которые можно было бы использовать для очистки сточных вод.

В лаборатории исследователи воспроизвели условия на морском дне, поместив осадок в камеру без доступа кислорода.Они закачивали метан и извлекали смертоносные отработанные газы, которые могли убить живущих там микробов.

Грязь содержала много видов микробов. Но к 2015 году исследователи выделили новый интригующий вид архей. И когда доктор Эттема и его коллеги объявили об открытии ДНК архей Асгарда, японские исследователи были потрясены. Их новый живой микроб принадлежал к этой группе.

Затем исследователи предприняли более кропотливые исследования, чтобы понять новый вид и связать его с эволюцией эукариот.

Исследователи назвали микроб Prometheoarchaeum syntrophicum в честь Прометея, греческого бога, который дал людям огонь, вылепив их из глины.

«Двенадцать лет микробиологии, которые потребовались, чтобы дойти до точки, когда вы можете увидеть ее под микроскопом, просто поразительны», — сказал Джеймс Макинерни, биолог-эволюционист из Ноттингемского университета, который не участвовал в исследовании.

Под микроскопом Prometheoarchaeum оказался странным зверем.Поначалу микроб выглядит как крошечная сфера, но в течение нескольких месяцев он отрастает длинными ветвящимися щупальцами и выпускает флотилию покрытых мембраной пузырей.

Это оказалось еще более странным, когда исследователи исследовали внутреннюю часть камеры. Доктор Шлепер и другие исследователи ожидали, что археи Асгарда использовали свои эукариотоподобные белки для создания некоторых эукариотоподобных структур внутри своих клеток. Но это не то, что обнаружила японская команда.

«Внутри нет никакой структуры, только ДНК и белки», — сказал доктор.Нобу.

Это открытие позволяет предположить, что белки, которые эукариоты использовали для построения сложных клеток, сначала выполняли другие функции, и только позже им поручили новую работу.

Доктор Нобу и его коллеги сейчас пытаются выяснить, что это были за рабочие места. Возможно, сказал он, Prometheoarchaeum создает свои щупальца с генами, которые позже использовались эукариотами для построения клеточных скелетов.

Доктор Шлепер хотел увидеть больше доказательств этой идеи. «У других архей очень красивые руки», — заметила она.Но эти другие виды не используют белки, столь похожие на наши.

До открытия Prometheoarchaeum некоторые исследователи подозревали, что предки эукариот жили как хищники, поедая более мелких микробов. Таким образом они могли поглотить первые митохондрии.

Но Prometheoarchaeum не подходит под это описание. Команда доктора Нобу часто обнаруживала, что микроб прилипает к бокам бактерий или других архей.

Вместо того, чтобы охотиться на добычу, Prometheoarchaeum, кажется, зарабатывает на жизнь, поедая фрагменты белков, проплывающих мимо.Его партнеры питаются его отходами. Они, в свою очередь, обеспечивают Prometheoarchaeum витаминами и другими необходимыми соединениями.

Доктор Нобу предположил, что вид архей Асгарда на морском дне затягивает бактерии паутиной щупалец, втягивая их в еще более тесную связь. В конце концов, он поглотил бактерии, которые превратились в митохондрии, питающие каждую сложную клетку.

Доктор Макинерни скептически относился к тому, что Prometheoarchaeum может дать четкую картину того, как наши предки восприняли митохондрии два миллиарда лет назад.«Это организм, живущий сегодня в 2020 году», — сказал он.

Пока команда доктора Нобу продолжает изучать Prometheoarchaeum, они также охотятся на его родственников в иле на морском дне. Эти микробы могут оказаться еще ближе к нашим предкам и могут дать еще более неожиданные подсказки.

«Мы надеемся, что это поможет нам лучше понять самих себя», — сказал доктор Нобу.

Сравнить Текущая инфекция+Вызванная+К+К+Микроорганизму+Chlamydia+Psittaci Препараты и лекарства с рейтингами и обзорами

Отображение и использование информации о наркотиках на этом сайте регулируется условиями использования.Продолжая просматривать информацию о препарате, вы соглашаетесь соблюдать такие условия использования.

Рассматриваете возможность приема лекарств для лечения инфекции+вызванной+микроорганизмами+хламидиозом+орнитозом? Ниже приведен список распространенных лекарств, используемых для лечения или уменьшения симптомов инфекции+вызванной+микроорганизмами+хламидиями+пситтаками. Перейдите по ссылкам, чтобы прочитать информацию об обычном применении, побочных эффектах, дозировках и прочитать отзывы пользователей о препаратах, перечисленных ниже.

Найдено 133 лекарства от инфекции+вызванной+микроорганизмом+хламидиями+орнитозом

Отсортировано по отзывам пользователей

Название препарата Индикация Тип Отзывы пользователей
доксициклина гиклат На этикетке РХ 480 отзывов
доксициклина гиклат таблетка с отсроченным высвобождением (кишечнорастворимая оболочка) Противомалярийные препараты На этикетке РХ 480 отзывов
доксициклин гиклат таблетка Тетрациклины На этикетке РХ 480 отзывов
миноциклин гидрохлорид На этикетке РХ 209 отзывов
миноциклин HCL ER На этикетке РХ 209 отзывов
доксициклин кальциевый сироп На этикетке РХ 198 отзывов
Дорикс На этикетке РХ 111 отзывов
тетрациклин HCL На этикетке РХ 51 отзыв
доксициклина моногидрат На этикетке РХ 41 отзыв
доксициклин IR-DR На этикетке РХ 41 отзыв
Вибрамицин На этикетке РХ 31 отзыв
Актиклат На этикетке РХ 30 отзывов
Адокса 50 мг таблетка На этикетке РХ 28 отзывов
Миноцин На этикетке РХ 23 отзыва
Монодокс На этикетке РХ 17 отзывов
Sk-Doxycycline Hyclate в капсулах На этикетке РХ 9 отзывов
Капсула докси На этикетке РХ 8 отзывов
доксициклин-очиститель для кожи №.9 Комбинированный пакет, капсула и подушечка (Comb. Pad) На этикетке РХ 7 отзывов
Динацин в капсулах На этикетке РХ 5 отзывов
доксициклина гиклат Флакон На этикетке РХ 4 отзыва
демеклоциклин гидрохлорид На этикетке РХ 3 отзыва
Капсула Doxy-Caps На этикетке РХ 3 отзыва
Набор для ухода за кожей Minocin Prof Acne На этикетке РХ 2 отзыва
Капсула ахромицина На этикетке РХ 2 отзыва
капсулы окситетрациклина гидрохлорида На этикетке РХ 2 отзыва
Капсула террамицина На этикетке РХ 2 отзыва
Раствор террамицина для внутримышечного введения На этикетке РХ 2 отзыва
Дорикс МПК На этикетке РХ 2 отзыва
Удобный набор Cleeravue-M На этикетке РХ 1 отзыв
Планшет Myrac На этикетке РХ 1 отзыв
раствор окситетрациклина На этикетке РХ 1 отзыв
Капсула Tetra 500 На этикетке РХ 1 отзыв
Планшет Doxy-Tabs На этикетке РХ 1 отзыв
Сумицин 250 капсул На этикетке РХ 1 отзыв
Миноцин Флакон На этикетке РХ 1 отзыв
Планшет Vibra-Tabs На этикетке РХ 1 отзыв
Моргидокс На этикетке РХ 1 отзыв
Набор BenzoDox 60, очищающее средство для неотложной помощи и таблетка На этикетке РХ 1 отзыв
Набор доксициклин-бензоилпероксид, очищающее средство ER и таблетка На этикетке РХ 1 отзыв
Декломицин в таблетках На этикетке РХ 1 отзыв
Раствор миноциклина, восстановленный (Recon Soln) На этикетке РХ 1 отзыв
Доксициклин в капсулах На этикетке РХ 0 отзывов
миноциклин-очищающее средство для век #1 Набор На этикетке РХ 0 отзывов
Вибрамицин 100 мг внутривенного порошка для приготовления раствора На этикетке РХ 0 отзывов
Солоксид 150 мг таблетки с отсроченным высвобождением На этикетке РХ 0 отзывов
Доксициклин Hyclate EC Capsule, частицы с отсроченным высвобождением (кишечнорастворимая оболочка) (капсула, частицы (E.С.)) На этикетке РХ 0 отзывов
СК-тетрациклиновая капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Робитет На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Ретет На этикетке РХ 0 отзывов
Таблетка тетрациклина На этикетке РХ 0 отзывов
Сумицин сироп суспензия На этикетке РХ 0 отзывов
Суспензия панмицинового сиропа На этикетке РХ 0 отзывов
Суспензия биоциклина На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула J-Mycin На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула D-Mycin На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Emtet-500 На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Nortet На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Teline 500 На этикетке РХ 0 отзывов
Вибрацин таблетка На этикетке РХ 0 отзывов
Доксиген таблетка На этикетке РХ 0 отзывов
Планшет Poly V На этикетке РХ 0 отзывов
Вибрамицин, раствор для внутривенного введения, восстановленный (Recon Soln) На этикетке РХ 0 отзывов
DOXY 100 Флакон На этикетке РХ 0 отзывов
Вибрамицин кальциевый сироп На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Tija На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула далимицина На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Докси-Леммон На этикетке РХ 0 отзывов
Доксичел капсулы На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Doxy-D На этикетке РХ 0 отзывов
Арладокс капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Ак-Рамицин капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула T-Vibra На этикетке РХ 0 отзывов
Тетрациновая капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула дельтамицина На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Cyclinex На этикетке РХ 0 отзывов
Тетраклор 250 капсул На этикетке РХ 0 отзывов
Таблетка Bio-Tab На этикетке РХ 0 отзывов
Планшет Poly-V На этикетке РХ 0 отзывов
Планшет Doxi Film На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула М-Тет На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Тетрамакс На этикетке РХ 0 отзывов
ПК Тет-капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Циклатная капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Э.Капсула P. Mycin На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Ури-Тет На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула окситетрахлора На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Нор-Тет На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Тетракап На этикетке РХ 0 отзывов
Телиновая капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Centet-250 На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Тетрацирекс На этикетке РХ 0 отзывов
Телин-250 капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Циклин-250 На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Tetra-Co На этикетке РХ 0 отзывов
Тетралановая капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Cen-Tet На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Тега-Циклин На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Тетрам На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула M-Tetra 250 На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Martet На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула дезамицина На этикетке РХ 0 отзывов
Сароциклин в капсулах На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Tet-Cy На этикетке РХ 0 отзывов
Д.Капсула R. T-Cycline На этикетке РХ 0 отзывов
Сумицин 500 капсул На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Пиракапс На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Retet 500 На этикетке РХ 0 отзывов
Тетраклор L Суспензия На этикетке РХ 0 отзывов
Таблетка Adoxa Pak, дозированная упаковка На этикетке РХ 0 отзывов
миноциклиновые салфетки, смягчающие средства, маска Набор На этикетке РХ 0 отзывов
Комбинированный пакет с миноциклиновыми салфетками На этикетке РХ 0 отзывов
Комплект Minocin с комбинированной упаковкой салфеток На этикетке РХ 0 отзывов
Тетра-капсула На этикетке Внебиржевой 0 отзывов
Авидокси На этикетке РХ 0 отзывов
Ахромицин V в капсулах На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула панмицина На этикетке РХ 0 отзывов
THSC Капсула тетрациклина HCl На этикетке РХ 0 отзывов
Комбинированный пакет Adoxa TT, планшет и прокладка (Comb.и накладка) На этикетке РХ 0 отзывов
Комбинированный пакет Adoxa CK, капсула и подушечка (расческа) На этикетке РХ 0 отзывов
Окебо На этикетке РХ 0 отзывов
Капсула Brodspec На этикетке РХ 0 отзывов
LymePak 100 мг таблетки Противомалярийные препараты На этикетке РХ 0 отзывов
Набор BenoxylDoxy 60, очищающее средство для ER и таблетка На этикетке РХ 0 отзывов
Вектриновая капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Раствор террамицина На этикетке РХ 0 отзывов
Раствор Doxy-200, восстановленный (Recon Soln) На этикетке РХ 0 отзывов
Мондоксин NL На этикетке РХ 0 отзывов
Набор BenzoDox 30, очищающее средство для неотложной помощи и таблетка На этикетке РХ 0 отзывов
BenoxylDoxy 30 Kit, моющее средство ER и таблетка На этикетке РХ 0 отзывов
Ала-Тет капсула На этикетке РХ 0 отзывов
Доксициклин Hyclate Капсула с покрытием На этикетке РХ 0 отзывов
Сумицин в таблетках На этикетке РХ 0 отзывов
Таргадокс На этикетке РХ 0 отзывов
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.