Skip to main content
Global

22.5: פרוקריוטים מועילים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    206403

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • הסבר את הצורך בקיבוע חנקן וכיצד הוא מושג
    • זהה מזונות בהם משתמשים בפרוקריוטים בעיבוד
    • תאר את השימוש בפרוקריוטים בביורמדיציה
    • תאר את ההשפעות המועילות של חיידקים המיישבים את העור ודרכי העיכול שלנו

    לא כל הפרוקריוטים הם פתוגניים. נהפוך הוא, פתוגנים מייצגים רק אחוז קטן מאוד מהמגוון של העולם המיקרוביאלי. למעשה, חיינו לא יתאפשרו ללא פרוקריוטים. רק תחשוב על תפקידם של פרוקריוטים במחזורים ביו-גיאוכימיים.

    שיתוף פעולה בין חיידקים לאיקריוטים: קיבוע חנקן

    חנקן הוא מרכיב חשוב מאוד לדברים חיים, מכיוון שהוא חלק מנוקלאוטידים וחומצות אמינו שהם אבני הבניין של חומצות גרעין וחלבונים, בהתאמה. חנקן הוא בדרך כלל היסוד המגביל ביותר במערכות אקולוגיות יבשתיות, כאשר חנקן אטמוספרי, N 2, מספק את המאגר הגדול ביותר של חנקן זמין. עם זאת, אוקריוטים אינם יכולים להשתמש בחנקן אטמוספרי וגזי כדי לסנתז מקרומולקולות. למרבה המזל, ניתן "לתקן" חנקן, כלומר הוא הופך לאמוניה (NH 3) ביולוגית או אביוטית. קיבוע חנקן אביוטי מתרחש כתוצאה מברקים או מתהליכים תעשייתיים.

    קיבוע חנקן ביולוגי (BNF) מתבצע אך ורק על ידי פרוקריוטים: חיידקי קרקע, ציאנובקטריה ופרנקיה spp. (חיידקים חוטיים המקיימים אינטראקציה עם צמחי אקטינורהיזל כגון אלמון, בייברי ושרך מתוק). לאחר הפוטוסינתזה, BNF הוא התהליך הביולוגי השני בחשיבותו על פני כדור הארץ. המשוואה המייצגת את התהליך היא כדלקמן

    \[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

    איפה Pi מייצג פוספט אנאורגני. סך החנקן הקבוע דרך BNF הוא כ-100 עד 180 מיליון טון בשנה. תהליכים ביולוגיים תורמים 65 אחוז מהחנקן המשמש בחקלאות.

    ציאנובקטריה הם מקבעי החנקן החשובים ביותר בסביבות מימיות. באדמה, בני הסוג קלוסטרידיום הם דוגמאות לחיידקים מקבעים חנקן חיים חופשיים. חיידקים אחרים חיים באופן סימביוטי עם צמחי קטניות, ומספקים את המקור החשוב ביותר ל- BNF. סימביונים עשויים לקבע יותר חנקן בקרקעות מאשר אורגניזמים חיים חופשיים בפקטור של 10. חיידקי קרקע, הנקראים ביחד rhizobia, מסוגלים לקיים אינטראקציה סימביוטית עם קטניות ליצירת גושים, מבנים מיוחדים שבהם מתרחש קיבוע חנקן (איור). \(\PageIndex{1}\) Nitrogenase, האנזים המקבע חנקן, מושבת על ידי חמצן, ולכן הגוש מספק אזור נטול חמצן לקיבוע חנקן. תהליך זה מספק דשן צמחי טבעי וזול, מכיוון שהוא מפחית חנקן אטמוספרי לאמוניה, הניתן לשימוש בקלות על ידי צמחים. השימוש בקטניות מהווה אלטרנטיבה מצוינת להפריה כימית ומעניין במיוחד את החקלאות בת-קיימא, המבקשת למזער את השימוש בכימיקלים ולשמור על משאבי הטבע. באמצעות קיבוע חנקן סימביוטי, הצמח מרוויח משימוש במקור אינסופי של חנקן: האטמוספירה. חיידקים נהנים משימוש בפוטוסינתטים (פחמימות המיוצרות במהלך הפוטוסינתזה) מהצמח ובעלי נישה מוגנת. בנוסף, האדמה מרוויחה מהיותה מופרית באופן טבעי. לכן השימוש בריזוביה כדשנים ביולוגיים הוא נוהג בר קיימא.

    מדוע קטניות כל כך חשובות? חלקם, כמו פולי סויה, הם מקורות מפתח לחלבון חקלאי. כמה מקטניות הדגנים החשובות ביותר הן סויה, בוטנים, אפונה, חומוס ושעועית. קטניות אחרות, כמו אספסת, משמשות להאכלת בקר.

    תמונה זו מציגה שורש קטניות, שהוא דק וצהוב עם גושים מבצבצים ממנו.
    איור\(\PageIndex{1}\): סויה (Glycine max) היא קטניה המקיימת אינטראקציה סימביוטית עם חיידק הקרקע Bradyrhizobium japonicum ליצירת מבנים מיוחדים על השורשים הנקראים גושים שבהם מתרחש קיבוע חנקן. (אשראי: USDA)

    ביוטכנולוגיה מוקדמת: גבינה, לחם, יין, בירה ויוגורט

    על פי אמנת האו"ם למגוון ביולוגי, ביוטכנולוגיה היא "כל יישום טכנולוגי המשתמש במערכות ביולוגיות, אורגניזמים חיים או נגזרות שלהם, כדי ליצור או לשנות מוצרים או תהליכים לשימוש ספציפי." 1 המושג "שימוש ספציפי" כרוך ביישום מסחרי כלשהו. הנדסה גנטית, ברירה מלאכותית, ייצור אנטיביוטיקה ותרבית תאים הם נושאי לימוד עדכניים בביוטכנולוגיה. עם זאת, בני אדם השתמשו בפרוקריוטים עוד לפני שטבע המונח ביוטכנולוגיה. בנוסף, חלק מהסחורות והשירותים פשוטים כמו גבינה, לחם, יין, בירה ויוגורט, המעסיקים גם חיידקים וגם חיידקים אחרים, כגון שמרים, פטרייה (איור\(\PageIndex{2}\)).

    איור\(\PageIndex{2}\): חלק מהמוצרים שמקורם בשימוש בפרוקריוטים בביוטכנולוגיה מוקדמת כוללים (א) גבינה, (ב) יין, (ג) בירה ולחם ו- (ד) יוגורט. (לחם אשראי: שינוי עבודות מאת פ 'רודריגו/ויקימדיה; יין אשראי: שינוי עבודתו של ג'ון סאליבן; אשראי בירה ולחם: שינוי עבודות מאת קריס מילר; יוגורט אשראי: שינוי עבודה מאת ג'ון סאליבן)

    ייצור הגבינות החל לפני כ-4,000-7,000 שנה כאשר בני אדם החלו לגדל בעלי חיים ולעבד את החלב שלהם. תסיסה במקרה זה משמרת חומרים מזינים: חלב יתקלקל מהר יחסית, אך כאשר הוא מעובד כגבינה הוא יציב יותר. באשר לבירה, הרשומות הוותיקות ביותר של בישול הן בנות כ -6,000 שנה ומתייחסות לשומרים. עדויות מצביעות על כך שהשומרים גילו תסיסה במקרה. יין מיוצר במשך כ -4,500 שנה, והראיות מצביעות על כך שמוצרי חלב מתורבתים, כמו יוגורט, קיימים לפחות 4,000 שנה.

    שימוש בפרוקריוטים לניקוי כדור הארץ שלנו: ביורמדיציה

    ביורמדיציה מיקרוביאלית היא שימוש בפרוקריוטים (או מטבוליזם מיקרוביאלי) להסרת מזהמים. Bioremediation שימש להסרת כימיקלים חקלאיים (חומרי הדברה, דשנים) הנשפכים מהאדמה למי התהום ולתת הקרקע. מתכות ותחמוצות רעילות מסוימות, כמו סלניום ותרכובות ארסן, ניתנות להסרה מהמים על ידי ביורמדיציה. הפחתת ה- SEO 4 -2 ל- SeO 3 -2 ול - Se 0 (סלניום מתכתי) היא שיטה המשמשת להסרת יוני סלניום מהמים. כספית היא דוגמה למתכת רעילה הניתנת להסרה מסביבה על ידי ביו-מדיה. כמרכיב פעיל בחומרי הדברה מסוימים, כספית משמשת בתעשייה והיא גם תוצר לוואי של תהליכים מסוימים, כמו ייצור סוללות. מתיל כספית קיים בדרך כלל בריכוזים נמוכים מאוד בסביבות טבעיות, אך הוא רעיל ביותר מכיוון שהוא מצטבר ברקמות חיות. כמה מינים של חיידקים יכולים לבצע טרנספורמציה ביולוגית של כספית רעילה לצורות לא רעילות. חיידקים אלה, כגון Pseudomonas aeruginosa, יכולים להמיר Hg +2 ל- Hg 0, שאינו רעיל לבני אדם.

    אחת הדוגמאות השימושיות והמעניינות ביותר לשימוש בפרוקריוטים למטרות ביו-מדיה היא ניקוי דליפות שמן. חשיבותם של פרוקריוטים לביורמדיציה של נפט הוכחה במספר דליפות נפט בשנים האחרונות, כגון דליפת אקסון ולדז באלסקה (1989) (איור\(\PageIndex{3}\)), דליפת הנפט היוקרתית בספרד (2002), הדליפה לים התיכון מ תחנת כוח בלבנון (2006), ולאחרונה, דליפת הנפט של BP במפרץ מקסיקו (2010). כדי לנקות את השפכים הללו, מקדמת ביורמדיציה על ידי תוספת של חומרים מזינים אנאורגניים המסייעים לחיידקים לצמוח. חיידקים משפילי פחמימנים ניזונים מפחמימנים בטיפת השמן, ומפרקים את הפחמימנים. מינים מסוימים, כגון Alcanivorax borkumensis, מייצרים חומרים פעילי שטח הממיסים את השמן, בעוד שחיידקים אחרים מפרקים את השמן לפחמן דו חמצני. במקרה של שפיכות נפט באוקיינוס, נוטה להתרחש ביורימדיה טבעית מתמשכת, מכיוון שיש חיידקים הצורכים נפט באוקיינוס לפני הדליפה. בנוסף לחיידקים משפילי שמן המופיעים באופן טבעי, בני אדם בוחרים ומהנדסים חיידקים בעלי אותה יכולת עם יעילות מוגברת וספקטרום של תרכובות פחמימנים הניתנות לעיבוד. בתנאים אידיאליים, דווח כי עד 80 אחוז מהרכיבים הלא נדיפים בשמן יכולים להתפרק תוך שנה מרגע הדליפה. שברי שמן אחרים המכילים שרשראות פחמימנים ארומטיות ומסועפות מאוד קשים להסרה ונשארים בסביבה לפרקי זמן ארוכים יותר.

    חלק א ': בתצלום זה נראים שני גברים באוזן גשם צהובה זורמים מסלעים שטופי שמן על חוף ים. חלק ב ': תמונה זו מציגה ציפור ספוגה בשמן יושבת במים שמנים.
    איור\(\PageIndex{3}\): (א) ניקוי נפט לאחר דליפת ולדז באלסקה, עובדים זרמו נפט מחופים ולאחר מכן השתמשו בבום צף כדי לכלוא את השמן, שלבסוף הוחלף מעל פני המים. מינים מסוימים של חיידקים מסוגלים להמיס ולהשפיל את השמן. (ב) אחת ההשלכות הקטסטרופליות ביותר של שפיכות נפט היא הפגיעה בבעלי החיים. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי NOAA; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי GOLUBENKOV, עמותה: הצלת תמן)

    חיבור יומיומי: חיידקים על גוף האדם

    החיידקים הקומנסליים המאכלסים את עורנו ודרכי העיכול שלנו עושים עבורנו שלל דברים טובים. הם מגנים עלינו מפני פתוגנים, עוזרים לנו לעכל את המזון שלנו ומייצרים חלק מהוויטמינים שלנו וחומרים מזינים אחרים. פעילויות אלה ידועות כבר זמן רב. לאחרונה, מדענים אספו עדויות לכך שחיידקים אלה עשויים לסייע גם בוויסות מצבי הרוח שלנו, להשפיע על רמות הפעילות שלנו ואף לסייע בשליטה על המשקל על ידי השפעה על בחירות המזון ודפוסי הספיגה שלנו. פרויקט המיקרוביום האנושי החל בתהליך קטלוג החיידקים (והארכאים) הרגילים שלנו כדי שנוכל להבין טוב יותר את הפונקציות הללו.

    דוגמה מרתקת במיוחד לפלורה הרגילה שלנו מתייחסת למערכות העיכול שלנו. אנשים הנוטלים מינונים גבוהים של אנטיביוטיקה נוטים לאבד רבים מחיידקי המעיים הרגילים שלהם, מה שמאפשר למין עמיד לאנטיביוטיקה באופן טבעי בשם Clostridium difficile לצמוח ולגרום לבעיות קיבה קשות, במיוחד שלשול כרוני (איור). \(\PageIndex{4}\) ברור שניסיון לטפל בבעיה זו באנטיביוטיקה רק מחמיר אותה. עם זאת, הוא טופל בהצלחה על ידי מתן למטופלים השתלות צואה מתורמים בריאים כדי להקים מחדש את קהילת החיידקים במעי הרגיל. ניסויים קליניים נערכים על מנת להבטיח את הבטיחות והיעילות של טכניקה זו.

    מיקרוגרף מראה אשכולות קטנים של חיידקים בצורת מוט לבן על רקע כהה.
    איור\(\PageIndex{4}\): מיקרוגרף אלקטרונים סורק זה מראה Clostridium difficile, חיידק גראם חיובי בצורת מוט הגורם לשלשול חמור. זיהום מתרחש בדרך כלל לאחר שחיית המעי הרגילה מוחקת על ידי אנטיביוטיקה. (אשראי: שינוי עבודה על ידי CDC, HHS; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

    מדענים מגלים גם שהיעדרם של חיידקי מפתח מסוימים ממערכת העיכול שלנו עשוי לגרום לנו למגוון בעיות. נראה שזה נכון במיוחד לגבי תפקודה המתאים של מערכת החיסון. ישנם ממצאים מסקרנים המצביעים על כך שהיעדרם של חיידקים אלה הוא תורם חשוב להתפתחות אלרגיות וכמה הפרעות אוטואימוניות. בימים אלה נערכים מחקרים כדי לבדוק האם הוספת חיידקים מסוימים למערכת האקולוגית הפנימית שלנו עשויה לסייע בטיפול בבעיות אלה, כמו גם בטיפול בצורות מסוימות של אוטיזם.

    סיכום

    פתוגנים הם רק אחוז קטן מכל הפרוקריוטים. למעשה, חיינו לא יתאפשרו ללא פרוקריוטים. חנקן הוא בדרך כלל היסוד המגביל ביותר במערכות אקולוגיות יבשתיות; חנקן אטמוספרי, המאגר הגדול ביותר של חנקן זמין, אינו זמין לאאוקריוטים. ניתן "לתקן" חנקן, או להמיר אותו לאמוניה (NH 3) ביולוגית או אביוטית. קיבוע חנקן ביולוגי (BNF) מתבצע אך ורק על ידי פרוקריוטים. לאחר הפוטוסינתזה, BNF הוא התהליך הביולוגי השני בחשיבותו על פני כדור הארץ. המקור החשוב ביותר ל- BNF הוא האינטראקציה הסימביוטית בין חיידקי קרקע וצמחי קטניות.

    ביורמדיציה מיקרוביאלית היא שימוש בחילוף חומרים מיקרוביאלי להסרת מזהמים. Bioremediation שימש להסרת כימיקלים חקלאיים השוטפים מהאדמה למי התהום ולתת הקרקע. ניתן להסיר מתכות ותחמוצות רעילות, כמו סלניום ותרכובות ארסן, על ידי ביורמדיציה. כנראה אחת הדוגמאות השימושיות והמעניינות ביותר לשימוש בפרוקריוטים למטרות ביו-מדיה היא ניקוי דליפות נפט.

    חיי אדם אפשריים רק בגלל פעולתם של חיידקים, גם אלה בסביבה וגם אותם מינים שקוראים לנו בית. באופן פנימי, הם עוזרים לנו לעכל את המזון שלנו, מייצרים עבורנו חומרים מזינים חיוניים, מגנים עלינו מפני חיידקים פתוגניים ועוזרים לאמן את מערכת החיסון שלנו לתפקד כראוי.

    הערות שוליים

    1. 1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02, אמנת האו"ם למגוון ביולוגי: סעיף 2: שימוש במונחים.

    רשימת מילים

    קיבוע חנקן ביולוגי
    המרה של חנקן אטמוספרי לאמוניה המתבצעת באופן בלעדי על ידי פרוקריוטים
    ביורמדיציה
    שימוש בחילוף חומרים מיקרוביאלי להסרת מזהמים
    ביוטכנולוגיה
    כל יישום טכנולוגי המשתמש באורגניזמים חיים, מערכות ביולוגיות או נגזרותיהם כדי לייצר או לשנות מוצרים אחרים
    גולם
    מבנה חדש על שורשי צמחים מסוימים (קטניות) הנובע מהאינטראקציה הסימביוטית בין הצמח לחיידקי הקרקע, הוא אתר קיבוע החנקן