Ақпарат

Бактериялардың азотты бекітетінін немесе жоқтығын қалай анықтауға болады?

Бактериялардың азотты бекітетінін немесе жоқтығын қалай анықтауға болады?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Егер сізде оқшауланған бактерия үлгісі болса, олардың азотты бекітетінін қалай анықтауға болады?


Жауапты өзім таптым, сіз ацетиленді азайту талдауын пайдалана аласыз.


Мен эксперименттерді жасамас бұрын, алдымен бактериялардың геномдарын биоинформатикалық іздеуді ұсынамын. Онда сіз «nif» (азотты бекіту) гендерінің гомологтарын таба білуіңіз керек.


Біз әлі сондамыз ба? Азотты бекітетін бактериялар мен бұршақ тұқымдас емес дақылдар арасындағы тиімді симбиотикалық ассоциацияларды дамытуға ұзақ серуен

Азот өмірдің маңызды элементі болып табылады және азоттың болуы көбінесе егін өнімділігін шектейді. Жасыл революциядан бері атмосфералық азот пен табиғи газдан синтетикалық азотты тыңайтқыштардың көп мөлшері өндірілді, бұл жаһандық азық-түлік өндірісінің тұрақтылығына қауіп төндіреді және қоршаған ортаны нашарлатады. Ауылшаруашылық дақылдарына азотты жеткізудің баламалы құралдары қажет, ал биологиялық азотты бекітудің артықшылығын пайдалану қисынды нұсқа болып көрінеді. Бұршақты дақылдар ризобиямен азотты бекітетін симбиозға байланысты әлемнің көптеген егістік жүйелерінде қолданылады. Дегенмен, әлемдегі үш негізгі дәнді дақылдар - күріш, бидай және жүгері - ризобиямен байланысты емес. Бұл шолуда біз ризобиялар мен олардың бұршақ тұқымдас иелеріне генетикалық тәсілдер тамыр түйіндерінің симбиоздарын басқаратын молекулалық механизмдерді түсінуде үлкен прогреске қалай мүмкіндік бергенін және бұл білім бұршақ емес дақылдардағы мұндай бірлестіктерді құруға қалай жол ашатынын зерттейміз. Біз сондай-ақ осы жүйелерді өріске енгізудегі қиындықтарды және оларды синтетикалық биологтар, микробиологтар, өсімдіктер биологтары, селекционерлер, агрономдар және саясаткерлер арасындағы пәнаралық ынтымақтастық арқылы қалай жеңуге болатынын талқылаймыз.


  • ризобия мен бұршақ тұқымдастардың тамыр түктерінің жасушаларында бөлінетін «түйін факторы».
  • Ризобияның әртүрлі штаммдары әртүрлі Nod факторларын тудырады және
  • әртүрлі бұршақ тұқымдастары әртүрлі спецификадағы рецепторларды шығарады.

Егер комбинация дұрыс болса, бактериялар тамырдың эпителий жасушасына еніп, содан кейін кортекске көшеді. [Тамыр құрылымына сілтеме.] Олардың жолы бірінен соң бірі кортекс жасушалары арқылы өсетін жасушаішілік арнада өтеді. Бұл инфекциялық жіп бактериялар емес, тамыр жасушалары арқылы құрылады және тек инфекцияға жауап ретінде түзіледі.

Инфекциялық жіп қыртыстың тереңіндегі жасушаға жеткенде, ол жарылып, ризобия эндоцитоз арқылы қабықшамен жабылады. симбиосомалар цитоплазма ішінде. Бұл кезде жасуша митоздың бірнеше айналымынан &mdash цитокинезсіз &mdash өтеді, сондықтан жасуша полиплоидты болады.

Оң жақтағы электронды микросуретте (доктор Д. С. Джорданның рұқсатымен) жасуша ішіне өсетін ризобияға толы инфекция жіпі (жоғарғы сол жақтан төменгі оңға қарай) көрсетілген. Инфекциялық жіптің қабырғасы жасуша қабырғасымен қалай үздіксіз болатынына назар аударыңыз. Қараңғы сопақшалар симбиосомалар болып табылады.

Содан кейін қыртысты жасушалар тез бөліне бастайды, а түйін. Бұл жауап цитокининдердің эпидермис жасушаларынан қыртыстың жасушаларына ауысуы арқылы жүзеге асады.

Сол жақтағы фотосуретте (The Nitragin Co. Milwaukee, Wisconsin компаниясының рұқсатымен) бұршақ тұқымдас құс таяғының трефолының тамырындағы түйіндер көрсетілген.

Ризобия түйін жасушаларының ішінде жылдам көбею кезеңінен де өтеді. Содан кейін олар пішінін өзгерте бастайды және қозғалғыштығын жоғалтады. The бактериялар, олар қазір аталғандай, ұяшықты дерлік толтыруы мүмкін. Енді ғана азотты бекіту басталады.

Оң жақтағы электронды микросуретте (Р.Р.Хеберттің рұқсатымен) соя түйінінен алынған бактериоидтармен толтырылған жасушалар көрсетілген. Көлденең сызық екі іргелес түйін жасушаларының арасындағы қабырғаларды белгілейді.

Түбір түйіндері жай ғана құрылымсыз жасушалар массасы емес. Әрқайсысы ксилема мен флоэма арқылы өсімдіктің тамыр жүйесімен байланысады. Төменде сол жақтағы фото бұршақ тамырында дамып келе жатқан бүйірлік тамырды көрсетеді. Оның оң жағында а-ны көрсететін бұршақ тамырының кесіндісі бар дамып келе жатқан түйін Тамыр ризобиямен ауырғаннан кейін 12 күннен кейін. Екі құрылым да өсімдіктің қоректік заттарды тасымалдау жүйесіне қосылған (тамырдың ортасынан өтетін қараңғы аймақ). (Фотомикросуреттер марқұм Джон Дж. Торридің рұқсатымен.)

Осылайша, түйіндердің дамуы ризобияға тәуелді болса да, өсімдіктің жақсы үйлестірілген даму процесі болып табылады.

Кейбір топырақ бактериялары (мысалы, Азотобактер) азотты өздігінен бекітеді, ал ризобия алмайды. Ризобия мен бұршақ тұқымдас өсімдіктер бір-біріне тәуелді екені анық.

Бұршақ тұқымдасының иесіне пайдасы анық. Ризобия оны топырақ азотынан тәуелсіз етеді.

Бірақ бұршақ неліктен қажет? Бұршақ дақылдары азотты түрлендіру үшін қажетті АТФ көп мөлшерін синтездейтін бактериоидтарды қоректік заттармен қамтамасыз ететіндіктен, әрине, пайдалы.2) аммиакқа (NH3)

Сонымен қатар, бұршақ тұқымдасының иесі бір маңызды құрамдас бөлікті қамтамасыз етеді нитрогеназа &mdash азотты бекітуге арналған негізгі фермент.

Бактероидтарға АТФ (жасушалық тыныс алу арқылы) жасау үшін оттегі қажет. Дегенмен, нитрогеназа оттегімен қатты тежеледі. Осылайша, бактериялар тым көп және тым аз оттегінің арасындағы жұқа сызықтан өтуі керек. Олардың жұмысы хосттың басқа үлесі арқылы жеңілдетілді: гемоглобин.

Түйіндер гемоглобинмен толтырылған. Оның көптігі сонша, шын мәнінде, жаңадан кесілген түйін қызыл болады. Бұршақ тұқымдастардың гемоглобині (леггемоглобин деп аталады), омыртқалы жануарлардың гемоглобині сияқты, олардың қарама-қайшы қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін бактериоидтарға оттегінің дұрыс концентрациясын қамтамасыз етеді.

Металл молибден маңызды құрамдас бөлігі болып табылады нитрогеназа сондықтан азотты бекіту үшін өте маңызды. Бірақ талап етілетін сомалар өте аз. Австралиядағы бір акр (0,4 га) егістік алқабына таратылатын бір унция (28,3 г) молибден он жылдан астам уақыт бойы құнарлылықты қалпына келтіру үшін жеткілікті болып табылды.

Оң жақтағы фотода бұршақ тұқымдас беде молибден жеткілікті болған жерде ғана қалыпты өсетінін көрсетеді. Мұнда көрсетілген топырақта (шығыс Австралияда) молибден табиғи түрде жетіспейді. Бүкіл қоршалған жер бедеге себілгенімен, өсімдік молибден тыңайтқышы қосылған жерде ғана гүлдеп, азотты бекіте алды (алдыңғы қатарда). (Суретті A. J. Anderson ұсынған.)

Түйінді фактор мен бұршақ тұқымдастағы рецептордың өзара әрекеттесу ерекшелігіне байланысты ризобияның кейбір штаммдары тек бұршақ, кейбірі тек беде, кейбіреулері тек жоңышқа және т.б. жұқтырады. Бұршақ тұқымын ризобияның дұрыс штаммымен өңдеу кәдімгі ауылшаруашылық тәжірибесі. (Жоғарыдағы фотосуреттердің бірін берген Nitragin компаниясы әрбір бұршақ тұқымдас дақылға сәйкес тамырлы штаммдарды өндіруге маманданған.)


Ластаушы синтетикалық тыңайтқыштарды гендік-инженерлік жолмен азотты түзетін дақылдар алмастыра ала ма?

Кредит: Өсімдіктанудағы тенденциялар

Қоректік зат, азот туралы бәрі естіген, бірақ ол өсімдіктер үшін неліктен маңызды?

Бұл біз жейтін дәндерде (тұқымдарда) және жапырақтардағы ақуыздардың негізгі ингредиенті. Азотсыз жапырақтар сарғайып, фотосинтез жылдамдығы төмен болуы мүмкін, бұл атмосферадан көмірқышқыл газын жаңа өсімдіктердің өсуіне айналдырады.

Азық-түлікті қолжетімді ету және қоршаған ортаны қорғау үшін өсімдік өсімдіктеріне азоттың жеткілікті мөлшері қажет, бірақ бұл фермерлер үшін де, ғалымдар үшін де қиын. Азотты тыңайтқыштардың тым көп түсуі өзендер мен құдық суларын ластайды, ал оның құны тағамды қымбаттатады. Азот тым аз болса, өнімділік төмендейді және сұраныс пен ұсыныс арасындағы теңгерімсіздік азық-түлікті қымбаттатады. Астық бағасының жоғары болуы да ауыл шаруашылығы үшін тропикалық ормандарды тазартуды тиімдірек етеді.

Азоттың биологиялық фиксациясы осы мәселелердің ықтимал шешімі болып табылады. Бұршақ, жержаңғақ, соя және жоңышқа сияқты бұршақ дақылдары азоттың көп бөлігін ризобия деп аталатын симбиотикалық бактериялардан алады, олар ауадан азот газын алып, оны аммиак сияқты өсімдіктер пайдалана алатын формаларға айналдырады. Ризобияға қажетті көміртегі қосылыстары олардың өсімдік иелерінен келеді. Бұл ресурстар әйтпесе көбірек тұқым жасау үшін пайдаланылуы мүмкін еді, сондықтан бұршақ дақылдары қажетті мөлшерден артық азотты бекітуді қамтамасыз етпейтін күрделі механизмдерді дамытты. Топырақта аммиак немесе нитрат сияқты арзан азот көздері болған кезде, бұршақ дақылдары бактерияларды орналастыратын тамыр түйіндерін азайтады және тіпті бар түйіндерді жауып тастауы мүмкін.

Биологиялық азотты бекіту: Қоршаған ортаға пайдасы және төмен құны?

Бұршақ тұқымдас емес өсімдіктер де қоршаған орта үшін ұқсас пайдасы бар азотты бекітуді қолдана ала ма? Егер солай болса, фермерлер ресурстарды тұқым шаруашылығынан азотты бекітуге бағыттау арқылы өнімділіктің төмендеуін теңестіру үшін тыңайтқыш шығындарына жеткілікті ақша үнемдей ме? Немесе сенімдірек азотпен қамтамасыз ету энергияның құнына қарамастан шығымдылықты арттыруы мүмкін бе?

Жүгері, бидай және күріш тамыр түйіндерін жасамайды, бірақ олардың тамырында немесе оның жанында өмір сүретін кейбір бактериялар азоттың аз мөлшерін бекіте алады. жылы Табиғат микробиологиясы, Рю және т.б. осы бактериялардың генетикалық жақсаруын талқылаңыз. Олар әдетте негізгі фермент, нитрогеназаны бұзатын оттегімен әсер еткенде немесе аммиак бар болса, азотты аз немесе мүлдем түзетпейді. Рю және т.б. бұл қасиеттерді өзгерте алды, бірақ олардың жұмысының практикалық қолданылуы тіпті ұзақ мерзімді перспективада да сенімді емес.

Несие: Ryu et al.

Аммиакпен азоттың фиксациясының репрессиясын жою қоршаған орта тұрғысынан кері қадам сияқты көрінуі мүмкін. Ақыр соңында, бұршақ дақылдарының азотты қажетті мөлшерден артық ұстай алмауы су ресурстарының нитраттармен ластануын шектеудің кілті болып табылады. Бірақ біз азотты бекіту жылдамдығы бактериялардың айналасындағы аммиак деңгейіне ғана емес, жалпы өсімдік қажеттіліктеріне байланысты болуын қалаймыз. Сондықтан Рю және т.б. өсімдіктерден келетін сигналдарға жауап ретінде азотты бекіту жылдамдығын реттеу үшін инженерлік бактериялар. Дегенмен, энергия әлі де өсімдіктерден алынуы керек еді. Азотты бекітудің пайдасы бұл шығынды ақтай ма? Оптимистік болайық және олар бастапқыда болады деп есептейік.

Бірақ бактериялар дамиды. Егер олар азотты бастапқыда ақылға қонымды бағамен қамтамасыз етсе де, жеңілдіктер бірнеше күнде төмендеуі мүмкін. Қағазда азотты бекітудің “фитнес ауыртпалығы” айтылады, бұл ризобияның көбірек жойылып кетуіне әкеледі. Өсімдік үшін артық ештеңесіз, өзіне қажет азотты ғана бекітетін «алдамшы» мутант өзінің көбеюі үшін ресурстарды босатып, иемденеді.


22.1: Азот алмасуына шолу

Органикалық химия әдетте құрамында көміртегі бар молекулалар химиясы ретінде сипатталады. Бірақ бұл анықтама аздап көміртекті емес пе, әсіресе құрамында оттегі бар молекулалардың таралуы таң қалдырады? Ал азот ше? Біз динитрогенге бай атмосферада өмір сүреміз (80%) және биомолекулалардың барлық кластарында (липидтер, көмірсулар, нуклеин қышқылдары және ақуыздар) азот бар. Динитроген үштік байланысы мен полярсыздығын ескере отырып, өте тұрақты. N түзету үшін біз бірнеше организмдерге сенеміз2 атмосферадан аммоний түзеді (NH4 + ), ол нитрификация және денитрификация арқылы нитрит түзе алады (NO2 - ), нитрат (NO2 - ), азот оксиді (NO) және азот оксиді (N2O), соңғысы күшті парниктік газ болып табылады. Біз келесі бөлімде аминқышқылдары мен ақуыздардағы амин топтарының метаболикалық тағдырына тоқталамыз. Олардың тағдырын зерттемес бұрын, азоттың биологиялық айналымының жалпы көрінісін көрсететін төмендегі суретке қараңыз. Биохимияны зерттеу гомо сапиенстен гөрі көбірек қамтуы керек және біз соншалықты кішкентай, бірақ зиянды бөлігі болып табылатын экожүйеге дейін кеңеюі керек.

Диаграмманы биохимиялық тұрғыдан қарастырайық. Аэробты және анаэробты процестер (бактериялар жүргізеді) болады. Құрамында азот бар заттарға бейорганикалық (аммоний, нитрат, нитрит) және органикалық (амин қышқылдары, нуклеотидтер және т.б.) молекулалар жатады. Көрсетілген реакциялар тотығу және қалпына келтіру болып табылады (ескерту: молекулалардағы азот атомдарының тотығу саны қызыл түспен көрсетілген). Реакциялардың көпшілігі жер астында бактериялық және архейлік микроорганизмдер арқылы жүзеге асады.

Міне, кейбір негізгі реакциялар:

  • Н2 бекіту (қысқару): Н2 ауадан бактериялар аммонийге (NH4 + ) топырақ прокариоттарының нитрогеназа ферменті арқылы. Энергетикалық жағымсыз реакция көптеген АТФ-ны қажет етеді. Бір рет жасалған аммонийді өсімдіктер сияқты негізгі өндірушілер алып, жануарлар тұтынатын аминқышқылдары сияқты биомолекулаларға қосуға болады. Адамдардың біздің биосфераға шекті әсері бар деп әлі де сенетіндер үшін мынаны ескеріңіз. Жақында тағы да N түзетеміз2 NH3 өнеркәсіптік Born-Haber реакциясы арқылы (тыңайтқыштар мен жарылғыш өндірістер үшін пайдаланылады) биосфера жасаған. Қолданылатын азоттың көп бөлігі Борн-Хабер реакциясынан келеді. Артық NH4 + (50%-дан жоғары) өнеркәсіптік өндірілген және топыраққа тыңайтқыштармен (негізінен NH түрінде) түседі.4ЖОҚ3) табиғаттың азот айналымын теңестіру қабілетінен асып түсті және өсімдіктер оны қабылдамайды. Ол микроорганизмдер арқылы нитрит пен нитратқа дейін метаболизденеді.
  • Нитрификация: аммоний аммиакты тотықтыратын аэробты микроорганизмдер арқылы нитритке, одан әрі нитритті тотықтырғыш аэробты бактериялардың жеке тобы арқылы нитратқа айналады. Мұнда гидроксиламинді аралық өнім арқылы нитрат алу реакциялары (Rx 1 және 2), одан кейін нитраттың түзілуі (Rx 3) берілген.

Бұл қосылған иондар топырақтың сыйымдылығынан асып түседі және ағынды суға айналады, өзендер мен көлдерімізді ластайды.

  • Денитрификация: Бұл анаэробты реакция жолы N2 нитраттан Мұнда таза реакция:
  • Анаммокс реакциясы: Бұл жақында ашылған бактериялық анаэробты реакция жолы аммоний мен нитратты N-ге айналдырады.2. Міне, таза реакция
  • Аммонизация (мумиялаумен шатастырмау керек) өсімдіктер мен жануарлардың ыдырауы кезінде жүреді, ол аммонийді өсімдіктер мен микробтардың қайта пайдалануы үшін топыраққа қайтарады.

Бұл реакциялар төменде қысқартылған азот циклінде көрсетілген.

Азот метаболиттері өсімдіктер үшін қоректік заттар және өсімдіктердің өсуін (бастапқы өнімділігін) реттеуде және биосферадағы тіршіліктің әртүрлілігін реттеуде ең импорттық қоректік заттар болып табылады. Барлық тірі организмдер энергия өндіру үшін шикізатты және биосинтетикалық реакциялар үшін субстраттарды қажет етеді. Қолданылатыны ағзаға байланысты. Өсімдіктер негізгі өндірушілер болып табылады, сондықтан олар энергия өндіру үшін де, биосинтез үшін де өздерінің синтезделген көмірсуларын пайдаланады. Етқоректілер үшін белоктар және олардан алынған аминқышқылдары энергия көзі болып табылады (тотығу арқылы) және биосинтетикалық прекурсорлар қызметін атқарады. Барлық қоректік организмдер үшін энергия көзі "қоректену" күйіне тәуелді. Азық-түлік ресурстары мол болғандықтан, көмірсулар мен липидтер энергия көзі болып табылады. Болашақта пайдалану үшін гликоген және триацилглицеридтер ретінде сақталуы мүмкін көмірсулар мен липидтерден айырмашылығы, артық ақуызды және олармен байланысты амин қышқылдарын сақтауға болмайды, сондықтан амин қышқылын жоюға немесе тотығу энергиясы үшін пайдалануға болады.

Тамақтану жағдайында көмірсулар негізгі көз болып табылады, ал қоректенбеген күйде липидтер басым рөл атқарады. Аштық жағдайында организмдердің белоктары ыдырайды және тотығу энергиясын өндіруге және қалған биосинтезге пайдаланылады. Қант диабеті сияқты ауыр жағдайларда, оны көмірсулардың көптігі кезінде аштыққа теңеуге болады, липидтер де, аминқышқылдары да энергия көздеріне айналады.

Жануарлардағы аминқышқылдары тотығу арқылы қалай метаболизденеді? Мұны істеу үшін көптеген жолдарды қолдануға болады, бірақ бұл NH қисынды болып көрінеді4 + жойылып, қалған молекуладағы көміртектер ақырында кетоақышқылдар түрінде гликолизге немесе TCA цикліне енеді. NH4 + жоғары концентрацияда улы. Микроорганизмдер топырақта болатындай аммоний адамдарда нитритке немесе нитраттарға дейін тотықпайды. Оны қайтадан нуклеотидтерге немесе аминқышқылдарына айналдыруға болады, ал артық мөлшері организмнен шығарылады. Екі процесс де жоғары бақылауда болуы керек. Келесі бөлімде аминқышқылдарының тотығуына назар аударамыз.

Нитрогеназа: Кіріспе

Сұлулық көргеннің көзінде.

Домен биохимиясы бүкіл биологиялық әлемді қамтитындықтан, оқулықтарда берілген тақырыптың қамтылу дәрежесі ішінара материалды ұсынатын автор(лар)дың қызығушылығы мен тәжірибесіне байланысты болуы мүмкін. Сәйкестік қамтуды анықтайтын көрсеткіш пе? Олай болса, адам немесе медициналық биохимияға бағытталған кітаптар фотосинтезді жоққа шығаратыны сөзсіз. Егер тақырыптар өмір үшін маңыздылығына қарай таңдалса, онда фотосинтез міндетті түрде қамтылуы керек. Егер солай болса, онда нитрогеназа да қосылуы керек. Химиялық реакцияның химиялық қиындық дәрежесі және дамыған биохимиялық ерітіндінің таңғажайып шешендігі қарастырылса, фотосинтез де, азот фиксациясы да ұсынылуы керек. Азотты бекіту тотықсыздандырғыш реакция болса да, оның фотосинтездің оттегінің дамитын кешенімен қатты ұқсастықтары бар. Олар эволюция жұмыс үшін бірегей деп таңдаған өте күрделі және бірегей бейорганикалық металлдық кофакторды пайдалана отырып, мол атмосфералық газды қамтитын өте маңызды тотығу-тотықсыздану реакцияларын катализдейді.

Химия мамандығының әрбір бірінші курс студенті динитрогеннің Льюис құрылымын сала алады, Н2, оның құрамында үштік байланыс және әрбір азотта жалғыз жұп бар. Егер Льюис құрылымдары олармен сөйлессе, олар үштік байланыс N жасайтынын айта алуы керек2 өте тұрақты, осылайша біз 80% N бар атмосферамен дем ала алатынымызды түсіндіреміз2 және өлмейді. Егер олар биологияны алған болса, олар өте аз биологиялық организмдер N-ді пайдалана алатынын біледі2 субстрат ретінде, өйткені бұл азот атомдары арасындағы байланысты бұзуды талап етеді, белгілі бір өсімдіктердің тамырларында кездесетін азот &ldqufixing&rdquo бактерияларына арналған химиялық процесс. Ақырында, олар Хабер-Бош процесі деп аталатын процессте жоғары қысым мен температураны N реакциясы қолданылатынын жаттап алған шығар.2 және Х2 аммиак түзеді, NH3. Кез келген ғылыми жетістіктер сияқты, Хабер-Бош процесі де зиян (жарылғыш қару үшін қолданылады) және жақсы (тыңайтқыштар) әкелді. Бұл процесс қазір жеткілікті N түзетеді2 тыңайтқыштар түрінде әлем халқының жартысын, ал қалған бөлігін нитрогеназа қамтамасыз етеді. Тыңайтқыштарға деген қажеттілікті жоққа шығаратын, бірақ күтпеген проблемаларды тудыратын өз нитрогеназасын жасау үшін өсімдіктерді генетикалық түрлендіруге күш жұмсалуда.

Бөлме температурасында тепе-теңдік константасы аммиак түзілуіне ықпал ететінін білгенде таң қалуыңыз мүмкін, демек DG 0 < 0. Реакция бөлме температурасында экзотермиялық болғандықтан энтальпиялық тұрғыдан қолайлы. Төмендегі теңдестірілген теңдеуден көрінетіндей ол энтропикалық тұрғыдан ұнамайды: N2(g) + 3H2(g) &rarr 2 NH3(ж)

Егер реакция бөлме температурасында термодинамикалық тұрғыдан қолайлы болса, ол неге жалғасады? Бұл оқиға таныс естіледі, өйткені дәл осы дескриптор органикалық молекулалардың диоксидпен тотығуына қатысты. Онда біз MO теориясын қолдана отырып, реакцияның кинетикалық баяу жүретінін көрсеттік. NH-мен бірдей3 қалыптастыру. Мұны көрудің үстірт жолы - біз тұрақты N-дегі байланыстарды бұзуымыз керек2 реакция кинетикасын баяу ете отырып, жоғары белсендіру энергиясына әкелетін реакцияны бастау.

Температураны көтеру арқылы реакцияны бастауға болады, бірақ бұл экзотермиялық реакцияны бәсеңдетеді. Кек (немесе КD) және DG0 температураның және осы реакцияның функциялары екені анық және жоғары температурада реакция жағымсыз болады. Хабер табылған ерітінді жоғары қысым болды, бұл реакцияны газдың аз молекулалары бар жағына және жоғары температура активтену энергиясының кедергісін жеңуге және реакцияны кинетикалық тұрғыдан жүзеге асыруға мәжбүр етті. Күрделі металл катализаторлары (магнетит - Fe3О4 - CaO және Al сияқты металл оксидтерімен2О3 Н-мен Fe азаюына жол бермейді2) реагенттерді біріктіру және Н-де байланыстың үзілуін жеңілдету үшін сіңіргіш бетті қамтамасыз етеді2 және Н2.

Табиғат басқа өте тұрақты және барлық жерде кездесетін H молекуласын тотықтыру үшін Mn, Fe, S және Ca өте оғаш оттегінің дамитын кешенін қамтитын механизмдерді қамтығанын көрдік.2O. Енді біз N-ді бекітетін нитрогеназа кешенінің таңғажайып механизмдерін зерттейміз2 NH түзеді3.

Бұл реакцияны биологиялық жүргізу үшін не қажет болуы мүмкін? Тізімге мыналарды қосады деп болжауға болады:

энергия көзі, ең алдымен, ATP, бұл қиын реакцияны жүргізу үшін және сіз дұрыс айтасыз

электрондардың көзі N атомдары элементтік N 0 тотығу күйінен NH3-те 3-ке ауысқанда бұл көз флаводоксин немесе ферридоксин деп аталатын ақуызға айналады. Әрине, бұл электрондардың да осы белоктардың электронды тасымалдаушыларында болғанға дейін қызықты көздері бар

Электрондарды басқарылатын жолмен қабылдау және беру үшін өте таңғажайып металл орталықтары, бұл орталықтар негізінен молибден (Mo) бар қосымша кластері бар FeS кластерлері. Кластерлер F, P және M деп аталады

сутегі көзі H емес деп дұрыс болжаған боларсыз2 газ (бұл қайдан келеді?), бірақ H + иондары өте кең таралған.

Хабер-Бауш процессінен өзгеше таза реакция (Н2 + 3H2 &rarr 2 NH3).

Міне, нитрогеназа катализдейтін нақты реакция:

Реакция туралы біраз ойланайық. Электрондар қосылған сайын азот атомдары арасындағы тартылыс азаюы керек. Ақыр соңында олардың арасындағы байланыс үзілуі керек. Зарядтың бейтараптығын сақтау үшін протондарды оңай қосуға болады. Негізгі механизм төменде көрсетілгендей аралық өнімдерді қамтуы мүмкін:

Нитрогеназа үштік байланысы бар басқа да шағын молекулалар, соның ішінде:C болуы мүмкін=O: және H-C=C-H.

Нитрогеназаның құрылымы

Нитрогеназа – құрамында мыналар бар мультипротеинді кешен:

Электрондардың жылжымалы тасымалдаушысы (ферродоксин немесе флаводоксин белоктары), ATP және электрондарды қабылдайтын FeS кофакторы (F кластері деп аталатын 4Fe-4S) үшін байланыстыру орындары бар E және F екі бірдей суббірліктер. Сондықтан бұл суббірліктер нитрогеназа-редуктазаның бөлімшелері деп аталады

альфа және бета суббірліктерінің гетеродимері. a (альфа тізбегі) 8Fe-7S F кластерін және Fe-S-Mo M кластерін байланыстырады. Бұл суббірліктер (ди)нитрогеназа суббірліктерінен тұрады

АТФ және металл орталықтары байланысқан ақуыз кешенінің жалпы құрылымы төменде көрсетілген.

Нитрогеназаның интерактивті Jsmol құрылымы төмендегі сілтемеде орналасқан.

Байланысқан кофакторлар мен АТФ кеңейтілген көрінісі төмендегі суретте бірдей кеңістіктік бағдарда көрсетілген.

Металл орталықтары төменде сызық пен кеңістікті толтыру көріністерінде толығырақ көрсетілген.

Mo 3 күкірт ионымен және екі а ОН және карбоксил тобымен 3-гидрокси-3-карбон, адипин қышқылы жоғарыда көрсетілген кристалдық құрылыммен байланысқан.

M кластерінде -CH-дан алынатын интерстициалды карбид ионы бар3 S-аденозил-метионин (SAM) күкіртіне қосылып, механикалық зерттеулер үшін карбидті 13 C немесе 14 C деп белгілеуге мүмкіндік береді. Бұл таңбаланған карбидтер фермент каталитикалық айналымға түскенде алмастырылмайды немесе субстрат ретінде пайдаланылмайды. Демек, карбид M кластерін тұрақтандыратын сияқты. ол егжей-тегжейлі тетіктерді көрсететін төмендегі суреттерде көрсетілмейді.

Нитрогеназа реакциясы: 1 бөлім – электрондар мен протондардың қосылуы

F кластерін қамтитын редуктаза қосалқы бірлігінен нитрогеназа қосалқы бірлігіндегі P және M кластерлеріне электрондардың ретті жолы жоғарыдағы суреттерден анық болуы керек. Біз N байланыстыруға назар аударамыз2 және ол M кластерінен электрондарды қалай қабылдайды. Төмендегі суретте FeMo-кофактор және кейбір көршілес аминқышқылдарының қалдықтары көрсетілген. Кеңістікті толтыруда Mo көрсетілмейді.

1-сұрақ: Val 70 Ile мутациясына ұшыраса, субстрат кластерге кірмейтін сияқты. Кластердің қай бөлігі ең ықтимал N-мен әрекеттеседі2?

2-сұрақ: Оның бүйірлік тізбектері көбінесе ферменттердің белсенді орындарында кездеседі. Олар катализде қандай рөл атқара алады?

Динитрогенді қалпына келтіру механизмі ретінде Лоу және Торнли (LT) моделі ұсынылды. Бұл модельде электрон мен протон ферменттің тотыққан түріне қосылады (Eо) өндіру үшін E1. Бұл кезекпен қалыптастыру үшін тағы 3 рет қайталанады, Е2, Е3 және Е4. Сонда ғана Н2 байланыстыру және N азаюы2 орын алады. Қосылған электрондардың екеуін Н түзетін H + иондары қабылдайды2, ол N-де босатылған2 байланыстыру.

3-сұрақ: N-дегі N және H тотығу сандарына негізделген2, NH3, H + және H2 және жоғарыдағы механизм, сіз 8 электрон қажет деп күтесіз бе?

Кристалл құрылымы редуктаза суббірлігімен байланысқан 2 АТФ көрсетеді. Реакцияның стехиометриясы 16 АТФ пайдаланылғанын көрсетеді. Қарапайым математика кешенге бір электронның енуін қолдау үшін 2 АТФ бөлінгенін көрсетеді.

1-бөлім - E1-E4: E4 аралық өнімінің әлеуетті құрылымы төменде көрсетілген. Карбид көрсетілмегенін ескеріңіз. Бұл көбінесе Янус аралық деп аталады, өйткені ол каталитикалық циклдің жартысы. Ол Римнің бастаулар мен өткелдердің құдайы Янустың атымен аталған және қақпаларға, есіктерге, есіктерге және өткелдерге жатқызылған. Янус әдетте екі тұлғамен бейнеленген, біреуі болашаққа, екіншісі өткенге қарайды.

4-сұрақ: Бұл санның E4 екенін қалай анықтауға болады?

Гидридтер 2 Fe ионын байланыстырады, сондықтан бұл үш орталықты, екі электронды байланыстың мысалдары.

Бұл реакция қалай пайда болады? Осы және одан кейінгі қадамдардың механизмін түсінуге көмектесу үшін металлорганикалық химияны іздеуіміз керек. Орталықтағы металл иондарының тотығуымен байланысты металдарға гидрид эквивалентінің қосылғаны анық. Бұл ерекше реакция а деп аталады тотығу қосындысы. Күкірт иондары Льюис қышқылынан протон алатындықтан, Льюис негіздері ретінде әрекет етеді, мүмкін, HIs 195.

Тотығу реакциялары

Реактивтердің үш түрлі түрі үшін тотығу қосындыларын көрсететін сурет төменде көрсетілген. Н кірістіру үшін нақты мысалға назар аударыңыз2, мысал М кластеріне гидридті қосындыларға ұқсас. Металл ионының екі тотығу дәрежесі тұрақты болған кезде тотығу тотықсыздануы өте оңай жүреді. Бұл сондай-ақ стерикалық кедергісіз металл орталықтары үшін қолайлы (егер A-B қосу керек болса мағынасы бар) және A-B байланыс диссоциациясының энергиясы төмен болса.

5-сұрақ: Жоғарыда көрсетілген E4 кешенінде H + иондары қандай рөл атқаруы мүмкін? Неліктен олар гидридтерге салыстырмалы түрде жақын болуы мүмкін?

Реакция аралық заттарын зерттеудің бір жолы оларды тұзаққа түсіру болып табылады. Егер Н2 байланыстыру орнына қол жеткізе алмайды және температура төмендейді, жинақталған гидридтер мен E4-тегі H + реакция E1-ге қайтып бара жатқанда әрекеттесуі мүмкін.

6-сұрақ: Мұндай жағдайда қандай өнім болуы мүмкін? Бұл эксперимент үшін қандай мутант қолданылуы мүмкін.

Нитрогеназа реакциясы: 2-бөлім - N азаюы2

E4-тен E5-ке дейінгі қадам H сияқты біршама оғаш көрінеді2 газ бөлінеді. Бұл АТФ-ны ысырап ететін сияқты, бірақ біз осы ферментті жасаған эволюцияға сенуіміз керек екені анық. Бұл реакция гидридтердің бір Fe ионында Fe6 болуы арқылы жеңілдетіледі деп ойлайсыз ба? Механизм - бұл басқа классикалық металлорганикалық реакция, редуктивті жою, тотығудың кері әсері.

Редуктивті жою реакциялары

Бұл реакцияда металл ионының тотықсыздануына және екі электронның қосылуына байланысты молекула жойылады немесе кешеннен шығарылады. Төмендегі суретте редуктивті жою көрсетілген. Тотықсыздандырғыш элиминация тотықсыздану кезінде тұрақтандырылуы мүмкін жоғары тотығу дәрежесі бар металл орталықтарында оңай жүреді. Ол электронға бай лигандтардан оңай пайда болады және басқа қоршаған лигандтар көлемді болса. Бөлінетін түрлер де бір-біріне цис болуы керек, өйткені олар кеткен кезде бір-бірімен байланыс жасайды.

Металл орталықтарындағы тотықтырғыш қосу және тотықсыздандырғыш элиминация көбінесе металлорганикалық заттарда біріктіріледі. каталитикалық циклдер олардың арасында кейбір қайта реттеу немесе басқа өзгертулер орын алады. Ойлан. FeS кластерлері толық LT циклінен кейін бастапқы тотығу күйіне оралуы керек. N қосылғаннан кейін тағы бір металлорганикалық реакцияға тап боламыз2, миграциялық кірістіру, реакцияның екінші жартысында.

H2(g) шынымен босатылды ма? Мұны зерттеу үшін зерттеушілер балама субстрат, ацетилен, HC пайдаланды=CH, D қатысуымен2 және Н2 сулы жүйеде.

Ацетилен тотықсызданды және С түзілді2Х2D2 және C2Х3D. Демек, E4-те 2 D болуы керек, ал E2-де 1 болуы мүмкін. Бұл нәтижелер қайтымды E4-тен E4-ке дейінгі редуктивті жою механизмі:N2 жоғарыдағы реакция. Бұрын H + D-ге азайғаны көрсетілген2 қатысуымен Д2 және Н2 су жүйесінде, сондықтан бұл нәтижелер сәйкес келеді. Қосымша қолдауда дейтерий Д2 өнімдерге қосылмаған (C2Х2D2, C2Х3D немесе HD) N болмаған кезде2.

Төмендегі суретте қайтадан көрсетілгендей көпір гидридтеріне бір сәт оралайық.

H қалыптастыру үшін2, Н - гидридтері протондалу керек.

5-сұрақ: Жоғарыдағы үлгідегі гидридтер терминал ретінде емес (H + үшін көрсетілгендей) көпір ретінде (3 орталықта, 2 электронды байланыста) көрсетілген. Қайсысы протонацияға, демек, редуктивті жоюға, көпірге немесе терминал гидридтеріне төзімдірек болады?

Көпір гидридтері енді қажетті субстратпен әрекеттесу үшін жеткілікті тұрақты, N2. M кофакторы төменгі жағындағы карбидпен үйлестірілген төрт Fe ионының (төмендегі суретті қараңыз) бетін жасау үшін жеткілікті үлкен. Fe иондарының бұл бетін жасау үшін тригональды призмалық геометрияны құрайтын 6 Fes және 1 орталық С бар жеткілікті мөлшердегі кластер қажет.

Nitrogenase Fe орталықтарының тотығу күйлері

Бірінші тайм: M комплексіндегі әрбір Fe ионына нақты тотығу дәрежесін беру қиын болар еді. Оның орнына реакция E0-ден E4-ке дейін жүріп жатқанда тотығу дәрежелеріндегі салыстырмалы өзгерістерді тағайындай аламыз. LT моделінің әрбір қадамында 1 электрон қосылады. Алдымен біз оны орташа Fe ионына, M 0, ерікті түрде тағайындалған тотығу дәрежесіне тағайындаймыз. 1 электрон қосылғанда, металл тотықсызданған кезде тотығу күйі M 0-ден M -1-ге ауысады. Содан кейін M -1 күйі тотығады, өйткені электрон Н + -ге ауысады, ал 2 электрон тасымалданғанда, бір H - жасалады. Төмендегі диаграмма E0-ден E4-ке өту кезінде тотығу күйінің өзгеруін көрсетеді.

Қызыл қораптар Fe иондарының (M) тотығу-тотықсыздану күйіндегі өзгерістерді қалай көруге болатынын көрсететін термодинамикалық цикл тәрізді қадамдарды бөлектейді. E0-ден E4-ке өткенде, M-ның нақты тотығу күйі 0-ден +1-ден 0-ге +1-ге және қайта 0-ге өзгеретінін ескеріңіз. Бұл 4 электрон қосылғанын ескерсек, бұл өте таңқаларлық. Сондай-ақ, E0-ден E1-ге дейінгі қызыл қорапта M -1-ден +1-ге ауысатынын ескеріңіз, бұл металл центрі екі электронды жоғалтқан кезде тотығу қосындысының сипаттамасына сәйкес келеді. Бұл механизм нитрогеназаны "гидридтерді сақтау құрылғысы" деп санауға болатынын көрсетеді.

Екінші жартысы (NH өндірісіне қарайды3):

Қалай Н2 бастапқыда E4-пен әрекеттесу керек пе? Бұл гидридтердің H түрінде қалай бөлінетініне байланысты болуы керек2, бұл дәлелдер арқылы орын алады редуктивті жою (re) және гидридті протонация (hp) емес. Сонымен қатар, Н2 өте тез диазолға айналады, HN=NH, кететін Н2 онымен бірге 2 H + s және 2 электрон (немесе редукциялық эквиваленттер) алу. Бұл оқиғалар төмендегі суретте көрсетілгендей орын алуы мүмкін.

Енді Н2 диазин тәрізді байланысқан (Н2Х2) және Х2 босатылған кезде реакцияның қалған бөлігі төменде көрсетілгендей болуы мүмкін. Бір жаңа қадам, тасымалданатын кірістіру көрсетіледі.

Реакцияның екі жартысы пайдаланылатын көпір гидридтеріне ұқсас. E4 Janus аралық екі жартыны бір-бірімен байланыстырады.


Бактериялардың азотты бекітетінін немесе жоқтығын қалай анықтауға болады? - Биология

References herein to the writing of lab reports and posters were current through Fall Semester, 2006. Since then, report guidelines for any current semester are in the present lab manual for Microbiology 102. However, even though this website for our old Bacteriology 102 course (splammo.net/bact102) was "retired" as of the end of Fall Semester, 2006, subject matter details throughout the site are still current , and questions asked on this page are generally worth pursuing regarding isolation of microorganisms, lab reports on such experiments, and examinations.

I. GENERAL INTRODUCTION

This page on our Bacteriology 102 website expands on the material given in the introduction to Experiment 11 in the manual and also serves to summarize major points regarding the following specific isolation experiments: 11.1 (purple non-sulfur photosynthetic bacteria), 11.2 ( Bacillus ), 11.3 (N 2 -fixers), 10.2 ( Streptomyces ) and 9.3 (bacteriophages). Even though bacteriophages are not bacteria but, rather, viruses which infect bacteria, many of these general principles will apply.

In this course, the selective enrichment/isolation concept applies not only to the isolation of the organisms indicated in the above-named experiments, but wherever we are isolating a certain type of organism from a natural source. This includes gram-negative bacteria from hamburger (Exp. 4), lactic acid bacteria from sauerkraut (Exp. 12), Staphylococcus aureus from the body (Exp. 13.1) and coliforms from water (Exp. 15). The basic principles also apply to the isolation and identification of the mixed unknowns (Exps. 7.2, 14.1 and 17).

The generalized procedure for the isolation and identification of any particular type of bacteria can be represented in the following flow chart:

ENRICHMENT AND ISOLATIONPURE CULTURE WORK
SOURCE
МАТЕРИАЛ
BROTH
ENRICHMENT
PLATING FOR
ISOLATION
STOCK
CULTURES
CHARACTERIZATION & IDENTIFICATION
•Consider inoculum: what organisms may or may not be present.
•May pre-treat inoculum, e.g., by heat-shocking.
•Usually is selective.
•May be skipped altogether.
•Usually selective or selective-differential &ndash but not always!! 
Throughout procedure, appropriate media and incubation conditions must be considered.

In these experiments, we show how this general plan is applied productively to several specific, naturally-found groups of organisms . Students who took our Bacteriology 320 course from the mid-1970s through the 1990s will recognize this approach and recall the dozen or so different kinds of bacteria we obtained from a variety of natural sources &ndash intestinal and otherwise. Naturally the successful isolation of the small set of organisms in either course will not make us experts in the isolation of all kinds of bacteria &ndash nor has this author ever claimed to be such an expert(!) &ndash but we can appreciate the general plan and how samples, media and incubation conditions can be chosen appropriately for each type of organism such that the desired growth is enhanced with the inhibition of as many other kinds of organisms as possible . So, we provide the basic framework upon which we can hang the specifics of a given isolation situation, and such can be kept in mind out in the real world if the student encounters an entirely new isolation project. The author has applied this concept in the isolation of Edwardsiella (with appropriate pH-based differential media) and the purple non-sulfur photosynthetic bacteria &ndash both of which have been great fun &ndash and may possibly consider iron-oxidizing bacteria his third area of expertise in bacterial isolation.

I often put a multiple-true/false question like this on a quiz or final. We expect all statements to be false and sincerely hope no one teaches such heresy.

To isolate a certain kind of organism from a natural source, utilizing the enrichment and isolation principles we learned about in our experiments:

       We can examine a sample from anywhere to find any kind of organism, as bacteria do tend to get around and can be found everywhere .

       It is best to utilize an all-purpose medium to isolate as many different kinds of bacteria as possible. Then we can study all of the colonies obtained and choose which ones we want to continue with.

       We always wish to compare our results to a general key to find out if we isolated the correct strains and got the correct determination of CFUs per gram of the sample.

       We always try to duplicate the original habitat of the organisms in the laboratory as much as possible such that all organisms in any sample can continue to grow in the laboratory as they did out in their normal habitat.

       We can expect to find a pure culture growing in any selective enrichment.

       In the experiment on purple non-sulfur photosynthetic bacteria, we expect each different kind of colony on a plate to represent a different genus .

Generally speaking, it would be unthinkable to streak out a plate of an all-purpose medium from a sample and then examine all of the resulting colonies to find what we are after . (That is the literal "looking for the needle in the haystack" approach.) Most likely, the desired type of organism would be totally overgrown. In looking for some obscure organism in the environment &ndash for example, Edwardsiella tarda from a swimming beach &ndash one would never be expected to have generated a list of genera or species in that environment that were encountered on the way to finding the E. tarda . You don't have to be an expert on the microbial flora in the environment &ndash that's a separate issue for those who care to do that. Using selective procedures you would be inhibiting or killing most of them anyway in your attempt to recover (more easily) the desired organism.

Hopefully for our experiments, we will have a variety of samples from various probable habitats of these organisms. (Note the admonition in the manual to bring in your own samples !) Habitats from which the samples are taken are not homogenous and will vary considerably from each other, and they will themselves vary over time. We must never expect to replicate exactly anyone else's results or any supposed "typical" result! There is no "key" to tell us if we are "correct" when we isolate anything &ndash that is, there is no tally of specific genera or species to check off for any given source! For any of our experiments, we may isolate representatives of several genera from one sample and several species of only one genus from another. We may spot a "trend," and we may isolate a new species these are things that are fun to follow up on. At least we will come up with some new strains &ndash as we define that term here.

Sooner or later in your lecture course you will learn about lithotrophic organisms such as the iron-oxidizing bacteria which we really should be including in our lab course. (A few views of a habitat in which they are found are shown here.) Similarly we could do something with the symbiotic nitrogen-fixers, but &ndash at least &ndash we get an appreciation of what "special" medium can help sort out free-living nitrogen-fixers from other soil organisms, and we have demonstration materials that feature the effects of Rhizobium , a genus of organisms that fix nitrogen whilst in symbiosis with leguminous plants.

Here are some items to consider as you collect, analyze and present your data and observations:

    Taking notes in lab of various observations can be greatly facilitated by the use of tables which are also valuable in reports and posters. Also, flow charts can summarize procedures in a general way and can be used to great advantage in posters and in day-to-day preparation for lab. The set-up of flow charts and tables is discussed here.

  • In the highlighted box above, we show a six-part multiple-true/false question. Be sure you understand why each of the six statements is false.
  • Questions are posed below in Sections III and V concerning the setup of the various experiments and what we hope to find out about the cultures we isolate.
  • Also, look over the relevant quiz questions in Appendix X of the lab manual. They test basic understanding of the general concept of isolating bacteria as well as major points about the specific kinds of organisms we are looking for.
  • Be sure to go over the requirements for reports and posters associated with these experiments. Some questions to think about are found on this page.

Reference material concerning the isolation of various organisms can include some professionally-produced web pages, a good textbook (such as recent editions of Brock ) and also these items:

    The Prokaryotes , a multi-volume set. The updated on-line edition is found here and is the primary source of reliable information I recommend when questions keep pouring in about how to isolate whatever. As stated above, I do not claim to be an expert on such things &ndash or a general consultant, for that matter. But The Prokaryotes is where the experts on specific kinds of bacteria hang out. As an example of how one can begin to use The Prokaryotes on-line, type "Edwardsiella AND isolation" in the search box (without the quotes), and you might find a surprise.

II. TAILORING THE ENRICHMENT/ISOLATION PLAN TO SPECIFIC TYPES OF ORGANISMS

Many specific kinds of microorganisms can be obtained from their natural habitats (soil, water, etc.) by the creation in the laboratory of an artificial environment which will enhance their growth over competing organisms. We would not get far by replicating exactly the habitat from which a sample was taken. Morphological and/or physiological characteristics of the desired organisms which can give them special advantages over others are exploited in the formulation of culture media, the choice of incubation conditions, and any special treatment of the original source material itself. We want to inhibit as many "undesirable" organisms as possible so they do not interfere with the isolations of the desired organisms, and we want to satisfy the nutritional requirements of the desired organisms such that they grow well.

To help us detect and isolate a certain kind of organism and minimize interference by other organisms, the following considerations are made:

    Choice of suitable source material likely to contain the desired organism. Also, one can consider where the desired organism may occur as a significant contaminant. As mentioned elsewhere, purple non-sulfur photosynthetic bacteria have been found in samples of snow, ice and rain &ndash surely not to be considered as habitats for microorganisms.

  • Often the source material is inoculated directly into a broth medium which will encourage the proliferation of the desired organism this is called an enrichment . When an enrichment is formulated to suppress the growth of undesired competitors, it is then a selective enrichment . A selective enrichment (such as what is utilized in Experiments 11.1 and 11.3) increases the probability that colonies of the desired organism will be isolated upon subsequent streak-plating and not crowded out by others. Selective enrichment media are useful in recovering organisms which are in very low numbers, and they are often formulated like their corresponding isolation media. Selective enrichments can also be used for certain organisms that are not necessarily in low numbers the "most probable number" method of quantitation involves their use as we shall find out in the water analysis experiment (Exp. 15).
  • When plate counts are to be performed and/or when the desired organism is relatively abundant, no enrichment is made and the source material is plated directly (as in Experiments 10.2 and 11.2).
  • Water samples can be passed through a filter which is then placed on the appropriate selective plating medium. This method is useful in the direct plating of samples containing low numbers of the desired organism and is discussed further and illustrated here.

  • Temperature: How high or low can we go without inhibiting or killing the desired organism?
  • Oxygen or no oxygen?
  • Does the desired organism need an increased-CO 2 atmosphere?
  • Is light necessary?

Note how the blank table on this page can be filled in to summarize the above points for the organisms we are isolating in these experiments.

III. ENRICHMENT AND ISOLATION MEDIA

Essential medium components can be manipulated (these are items from Appendix D):

  • Carbon source: As an example, one can leave organic compounds out of the medium to allow for the growth of autotrophs which can obtain their carbon from atmospheric CO 2 which diffuses into the medium.
  • Nitrogen source: For example, one can leave nitrogenous compounds out for the growth of " nitrogen-fixers " which can obtain atmospheric nitrogen (N 2 ). The so-called "nitrogen-free media" are indeed free of nitrogenous compounds but not N 2 which diffuses in from the air.
  • Energy source: For example, photosynthetic bacteria utilize light as their ultimate source of energy , and any compounds that can serve as energy sources for other types of organisms can be left out of the medium.
  • Compounds which can be used as growth factors (vitamins, amino acids, nucleic acid bases, fatty acids, etc.) and other special medium ingredients can be added as needed.

Here are some questions about specific medium components and procedures:

  • Regarding purple non-sulfur photosynthetic bacteria: What is the "magic" of succinate ? Why use it as the carbon source?
  • What do we really mean when we say " non-sulfur " regarding the very metabolically-diverse group of photosynthetic bacteria we are working with? If we were to look for various kinds of photosynthetic bacteria that can grow autotrophically, why might one include a sulfide compound in the medium?
  • Regarding Streptomyces : What kind of compound serves as the primary source of carbon and energy (and nitrogen)? What does an organism need to produce in order to utilize such a compound? Why is it beneficial to re-streak our initial colonies on an all-purpose medium?
  • Regarding the nitrogen-fixers: Why is there so much sugar in the enrichment and isolation media? Is it possible for non -nitrogen-fixers to grow in our enrichments and on our plates? How do we really know that we are isolating nitrogen-fixers?
  • Why don't we need a selective medium when isolating Bacillus from soil?
  • Why does the combination of (1) heating the initial soil suspension to 80°C and (2) aerobic incubation assure us of having virtually only Bacillus on our isolation plates? What two genera would we expect if we were to incubate the isolation plates anaerobically ?
  • When we get to Experiment 12 on the lactic acid bacteria, consider why the combination of (1) a "rich" plating medium with sodium azide and (2) aerobic incubation conditions assures us of having virtually only aerotolerant anaerobes on the plates.

IV. DETECTION OF THE DESIRED ORGANISMS DURING THE ENRICHMENT AND ISOLATION PROCESS

The following gives a few examples of recognizable cultural and/or morphological characteristics of certain organisms which aid in their detection during enrichment and/or isolation. Click on the highlighted text for images and further explanation.

V. CHARACTERIZATION AND IDENTIFICATION OF OUR ISOLATES

We have neither the time nor the materials necessary to identify any of our bacterial isolates to the species level. Find a copy of Bergey's Manual and see what it takes to identify the dozens of species for the various genera we consider in our isolation experiments. A little more about bacterial identification is given here.

We can at least run some tests on pure cultures of our isolates to see if they follow the general pattern of what is expected for the genus or type of organism under consideration. And we can perform some "special" tests which are not essential to identify anything to the genus level, such as testing Streptomyces isolates for the ability to produce antibiotics and Bacillus isolates for the production of amylase.

For the organisms in Experiments 10.2 and 11, consider the following:

    Exp. 10.2 ( Streptomyces ): How did we recognize probable Streptomyces colonies, and what do the cells look like microscopically? Should we expect all Streptomyces isolates to be able to produce an antibiotic? What is our official definition of antibiotic ?

  • As we incubated one tube of Succinate Agar in the dark and one in the light, which tube shows the pigmented phototrophic growth? Where do you see it? (Aerobically or anaerobically?)
  • As we expect most purple non-sulfur bacteria to be "facultative phototrophs," do you see any growth in the tube incubated in the dark? (Aerobically or anaerobically?) Is there corresponding growth in the "light" tube?
  • Click here to see the appearance of a "facultative phototroph" in this test.

  • Why do we expect virtually any isolate from these plates to be a member of the genus Bacillus ? If you don't see endospores for any isolate, what might you do with the isolation plates in order to see endospores eventually? (It's hinted at in the lab manual!)
  • As we have mentioned a number of times, some species of Bacillus are strictly aerobic and the others are facultatively anaerobic. How does this relate to the tests for catalase and glucose fermentation? Recall what we did in Experiment 7 to show the oxygen relationships of the twelve known cultures without the use of Thioglycollate Medium.
  • Must we expect all isolates of Bacillus to give positive results for the amylase test? Remember in Experiment 7 that we tested only three of the dozens of Bacillus species.

  • Do not be concerned if you did not isolate anything resembling Azotobacter. Other nitrogen-fixers are possible, but they would be a bit harder to identify with what little we did in lab. A non-motile gram-negative rod might suggest Klebsiella. Sometimes Bacillus (identifiable if endospores are apparent) is isolated. Why would we not expect Clostridium on our plates? (Think about the incubation conditions of the plates.) Just characterize each isolate the best you can, and do not go beyond the recommendations and precautions mentioned in the latter part of Experiment 11.3 , although some semesters we have media available to see whether or not any non-motile gram-negative rod is a Klebsiella. If you can't identify anything to genus based on the observations made, don't go sleepless about it! At least you can indicate whether or not each one was a nitrogen-fixer or a non-nitrogen-fixer.
  • As for the slants we inoculate our isolates onto: Would you expect nitrogen-fixers to grow on the all-purpose medium? (Why not?) Would you expect a non-nitrogen-fixer to grow by itself on the N-free medium? (Why?) For there to be any growth on the N-free medium, the growth has to be initiated by a nitrogen-fixer, so a pure culture inoculated onto such a medium which grows (without any "help" from another organism) is considered by us to be a confirmed nitrogen-fixer. We always strive to inoculate any of our test media with a pure culture and this test is no exception. Furthermore, if a mixed/contaminated culture were to be inoculated onto an N-free Agar slant and it subsequently grew, there must have been a nitrogen-fixer included in the mixed inoculum. But at this point in the semester, let's not expect to be rampant contaminators any more &ndash what with our aseptic technique skills which had better not be deteriorating!

VI. A FEW GENERAL WORDS OF CAUTION especially to those not taking Bact. 102 at UW-Madison

The growth of cultures from natural sources (soil, water, human body, etc.) can be a dangerous undertaking and should only be done in a for-real microbiology lab. One can never tell if the growth of pathogens is being enhanced. Make sure all cultures are handled with the utmost care and are completely sterilized before they are discarded!

I cannot advise about laboratory techniques (such as learning the various bacteriological manipulations) via e-mail or even the phone. Take the course in the appropriate laboratory environment at a college or university and get your techniques certified.


Scientists identify corn that fixes its own nitrogen, needing less fertilizer

The dripping gel from this corn plant harbors bacteria that convert atmospheric nitrogen into a form usable by the plant. Photo: Howard-Yana Shapiro

A public-private collaboration of researchers at the University of Wisconsin–Madison, the University of California, Davis, and Mars Inc., have identified varieties of tropical corn from Oaxaca, Mexico, that can acquire a significant amount of the nitrogen they need from the air by cooperating with bacteria.

To do so, the corn secretes copious globs of mucus-like gel out of arrays of aerial roots along its stalk. This gel harbors bacteria that convert atmospheric nitrogen into a form usable by the plant, a process called nitrogen fixation. The corn can acquire 30 to 80 percent of its nitrogen in this way, but the effectiveness depends on environmental factors like humidity and rain.

Scientists have long sought corn that could fix nitrogen, with the goal of reducing the crop’s high demand for artificial fertilizers, which have monetary, energy and environmental costs. Further research is required to determine if the trait can be bred into commercial cultivars of corn, the world’s most productive cereal crop.

Jean-Michel Ané

The findings were reported Aug. 7 in the journal PLOS Biology.

“It has been a long-term dream to transfer the ability to associate with nitrogen-fixing bacteria from legumes to cereals,” says Jean-Michel Ané, a professor of bacteriology and agronomy at UW–Madison and a co-author of the new study.

Legumes, such as beans, are the only group of crop plants previously known to acquire a significant amount of nitrogen through fixation, which they perform in specialized tissues called root nodules.

Howard-Yana Shapiro, the chief agricultural officer at Mars, a senior fellow in the Department of Plant Sciences at UC Davis and a co-author of the report, identified the indigenous varieties of corn in a search for cultivars that might be able to host nitrogen-fixing bacteria.

The corn is grown in the Sierra Mixe region of Oaxaca in southern Mexico, part of the region where corn was first domesticated by Native Americans thousands of years ago. Farmers in the area grow the corn in nitrogen-depleted soils using traditional practices with little or no fertilizer, conditions that have selected for a novel ability to acquire nitrogen. The biological materials for this investigation were accessed and utilized under an Access and Benefit Sharing Agreement with the Sierra Mixe community and with the permission of the Mexican government.

Nitrogen-fixing corn varieties secreting large amounts of sugar-rich gel as they grow in Madison, Wisconsin. Photo: Jean-Michel Ané

The corn is striking. Most corn varieties grow to about 12 feet and have just one or two groups of aerial roots that support the plant near its base. But the nitrogen-fixing varieties stand over 16 feet tall and develop up to eight or 10 sets of thick aerial roots that never reach the ground. Under the right conditions, these roots secrete large amounts of sugar-rich gel, providing the energy and oxygen-free conditions needed for nitrogen-fixing bacteria to thrive.

Establishing that plants are incorporating nitrogen from the air is technically challenging.

“It took us eight years of work to convince ourselves that this was not an artifact,” says Ané, whose lab specializes in studying and quantifying nitrogen fixation. “Technique after technique, they’re all giving the same result showing high levels of nitrogen fixation in this corn.”

The group used five different techniques across experiments in Mexico and Madison to confirm that the Sierra Mixe corn’s gel was indeed fixing nitrogen from the air and that the plant could incorporate this nitrogen into its tissues.

“What I think is cool about this project is it completely turns upside down the way we think about engineering nitrogen fixation,” says Ané.

The gel secreted by the corn’s aerial roots appears to work primarily by excluding oxygen and providing sugars to the right bacteria, sidestepping complex biological interactions. The research team was even able to simulate the natural gel’s effects with a similar gel created in the lab and seeded with bacteria. The simplicity of the system provides inspiration to researchers looking to identify or create more crop plants with this trait.

Nitrogen-fixing corn varieties secreting large amounts of sugar-rich gel as they grow in Madison, Wisconsin. Photo: Jean-Michel Ané

Breeding the trait into commercial cultivars of corn could reduce the need for artificial nitrogen fertilizers, which have a host of disadvantages. More than 1 percent of the world’s total energy production goes toward producing nitrogen fertilizer. Developed countries contend with waterways polluted by leaching nitrogen, while adequate fertilizer is often inaccessible or too expensive for farmers in developing countries. Corn that fixes some of its own nitrogen could mitigate these issues, but more research will be required.

“Engineering corn to fix nitrogen and form root nodules like legumes has been a dream and struggle of scientists for decades,” says Ané. “It turns out that this corn developed a totally different way to solve this nitrogen fixation problem. The scientific community probably underestimated nitrogen fixation in other crops because of its obsession with root nodules.”

“This corn showed us that nature can find solutions to some problems far beyond what scientists could ever imagine,” Ané says.

This story was originally published on the UW–Madison News site.


Nitrogen cycle for IGCSE Biology: Grade 9 Understanding 4.11B

I will make a blog post on each of the three “cycles” you need to know about for iGCSE. By far the most complicated is the Nitrogen cycle, so we might as well start there….

The first bit of understanding you need to is be clear the difference between how energy moves through an ecosystem and how matter (i.e. atoms) are exchanged between organisms and their environment. Energy in the ecosystems moves in a linear flow: there is no recycling of energy. The energy comes in at one end (in the producers through the process of photosynthesis) and is ultimately all lost as heat to the environment through the process of respiration. There is no possible way energy can be recycled. The “circle of life” that students like so much from Disney certainly does not apply here…. People find this idea very difficult to appreciate. All the time students will tell me that the energy in dead plants and animals goes into the soil and is then absorbed through the roots of plants: “it’s the circle of life sir” they earnestly tell me. And in the words of the late, great Amy Winehouse, I say “NO,NO,NO”…

Matter on the other hand is recycled through the ecosystem. The individual atoms that make up your body (H,O,C,N,S etc.etc,) have all been in other organisms and indeed will be again in the future. You took them in through your food and use these atoms to build the molecules that make up your cells. But ultimately all these atoms will leave your body either through metabolic processes or when you die and are decomposed. You could draw up a cycle for any of the atoms that are found in living things but your specification only requires you to understand two. How are carbon atoms cycled – the Carbon cycle – and how are nitrogen atoms cycled – the Nitrogen cycle. (You will also look at the Water cycle as well…..)

Things to understand about the Nitrogen Cycle:

1) Which molecules in living things contain nitrogen atoms?

Well the answer is fairly simple. Белоктар – аминқышқылдарының полимерлері. Amino acids all contain an -NH2 group (amine group) and so Nitrogen is found in proteins. The bases in DNA (Adenine, Cytosine, Guanine and Thymine) are described as nitrogenous bases and so they contain nitrogen too.

2) Where are nitrogen atoms found in the ecosystem other than in the molecules of living organisms?

This is more complicated. Nitrogen gas makes up 78% of the atmosphere so clearly there is a lot of nitrogen in the air. In the soil, there will be urea from the urine of animals and urea contains nitrogen. There are also a range of ions found in the soil that contain nitrogen: the two most important are ammonium NH4+ and nitrate, NO3-. (I don’t know how to do subscript and superscript in WordPress and so you will have to excuse the rather ugly molecular formulae)

3) How do nitrogen atoms move from the abiotic (non-living) parts of the ecosystem and into the organisms?

There is only one way nitrogen atoms can move from the abiotic environment and into the organisms in an ecosystem. This is via plants that can absorb nitrate ions from the soil in their roots. This is a slight simplification but it will do at the moment. Look at the diagram above and find the arrow that shows assimilation of nitrates from the soil into plants.

4) How many different kinds of soil bacteria are involved in cycling nitrogen?

You need to know about төрт different kinds of bacterial that live in the soil that play a role in recycling nitrogen. Use the diagram above and your notes to describe the role each of these organisms play in the cycling of nitrogen atoms in the ecosystem.

  • Decomposers (Putrefying Bacteria)
  • Нитрификациялаушы бактериялар
  • Nitrogen-Fixing Bacteria
  • Denitrifying Bacteria

I am off to have my supper: another post about these bacteria will appear here later tonight or tomorrow. Please don’t read it until you have tried to write down a paragraph on each of the four types of bacteria in the bullet point list above.


Displaced Cholera

It seems that many microbes once had a good purpose but have changed as a result of the Fall and now cause disease.

Cholera is a severe intestinal illness that humans get from contaminated water or food. It leads to severe diarrhea, shock, and even death. In its most virulent form, it can kill within three hours of infection. Cholera is caused by the bacterium Vibrio cholera, which produces a variety of toxins. Interestingly, most species related to Vibrio cholera grow harmlessly on the surface of practically all shelled ocean creatures and some fish. There they perform a valuable task: breaking down chitin, the main component of the hard outside shell, or exoskeleton, of crabs, shrimp, lobsters, and many other sea creatures. Without their help, oceans and beaches would be littered with billions of shells. The breakdown of chitin also returns precious nutrients like carbon and nitrogen back to the ocean.

Even more fascinating, some of the cholera components that are toxic to the human intestines are used to break down chitin. So creationists hypothesize that Vibrio cholera originally broke down chitin in the ocean, but after Adam’s Fall, God allowed them to spread beyond their proper place.

Disease-causing versions of Vibrio cholera may also have been genetically modified after the Fall. We have discovered that they have some extra DNA, apparently inserted by viruses, which allows the bacteria to produce toxin. Other types of cholera lack this DNA and are typically nontoxic.


Farmers Can Now Buy Designer Microbes to Replace Fertilizer

Бұл мақаланы қайта қарау үшін «Менің профилім», одан кейін «Сақталған оқиғаларды көру» бөліміне өтіңіз.

Wichan Nikhrothanon/EyeEm/Getty Images

Бұл мақаланы қайта қарау үшін «Менің профилім», одан кейін «Сақталған оқиғаларды көру» бөліміне өтіңіз.

Jake Misch’s family has been growing corn in the sandy soils of northwestern Indiana for four generations. Like other farmers in the area, the Misches spray their fields with a nitrogen-rich fertilizer once in the spring when the seeds are planted, and once later in the year, when the corn is going through its growth spurt. Fertilizing is essential to yielding a healthy harvest, but it’s expensive enough that he stresses about it, and, as he’s well aware, it’s not great for the planet.

Which is why next year, Misch is trying something new. In the spring he’ll douse his freshly furrowed corn seeds with a liquid probiotic for plants. As the seedlings grow, these special microbes will colonize their roots, forming hairy nodes and converting atmospheric nitrogen into a form that plants can use to turn sunlight into sugar. If all goes as planned, those little critters will produce 25 pounds of usable nitrogen for every acre of corn.

At least, that’s what Pivot Bio is promising. The Berkeley, California, biotech startup announced today its commercial launch of the first and only nitrogen-producing microbial treatment for US corn farmers. It’s not a complete and total replacement for fertilizer, but the product aims to reduce farmer’s reliance on it. Fertilizer production is a huge contributor to greenhouse gases. Once it’s on fields, it can leach into aquifers or run off into rivers, leading to toxic algae blooms. According to Pivot, if every corn farmer in the US followed Misch’s lead, it would be the environmental equivalent of removing one million cars from the road.

“We’re trying to create an ecological zeitgeist,” says Karsten Temme, CEO and cofounder of Pivot. The company also announced that it had raised $70 million in series B funding, led by Bill Gates’ Breakthrough Energy Ventures, an investment fund that aims to drastically cut greenhouse gas emissions.

Using underground microbes to solve modern agriculture’s biggest challenges is not an altogether new idea. Farmers have been lacing their fields with pest-killing bacteria for decades. But money only recently started flowing into Big Ag microbials. Startups like Pivot and Indigo Ag began hunting down useful organisms to turn into products in 2014. Last year, German biotech giant Bayer launched a $100 million joint venture with Ginkgo Bioworks, an organism-engineering outfit, to create self-fertilizing crops with the help of designer bacteria.

That company, now called Joyn Bio, is using every trick in the synthetic biology trade to engineer organisms that can do for corn and wheat what naturally occurring microbes do for legume crops like soybeans. It’s still two to three years from field testing its first product.

Pivot, on the other hand, saw a way forward with what nature had already provided. There were bacteria, they knew, that lived on corn roots, that had nitrogen-fixing genes encoded in their DNA. But because the process is so energy-expensive, those bacteria only flipped those genes when needed. And because farmers always plant in fertilized fields, those genes had gone dormant over the decades. Someone just had to turn them back on. “What we’re trying to do is actually reawaken this function that the microbe has had all along,” says Temme.

But first, they had to find ’em. To start, Pivot bought buckets of soil from farmers throughout the US corn belt. Into that soil, the company’s scientists planted young corn seedlings called “bait plants” because of the substances they excrete to attract beneficial bacteria. Think of it like agricultural Tinder the corn swipes right on microbes that make its life easier. Out of thousands of bugs that might be in the soil, the plant pulls out maybe a dozen or so. Then Pivot’s scientists grind up the roots and dab the mixture onto a plate of agar devoid of nitrogen. Anything that survives must be making its own.

Once they’ve got some good candidate bacteria, says Pivot scientist Sarah Bloch, they use gene editing tools to rewire their gene expression programs. The goal is to keep the nitrogen-fixing activity turned on, even in the presence of fertilizer. “We’ll take a promising strain and remodel it 100 different ways and test all those approaches to see which one is best,” she says. Sometimes, big breakthroughs come from surprising places. The strain that makes up Pivot’s first product, which will be available to farmers in select states for the next growing season, came from land in Missouri belonging to Bloch’s father.

“A lot of our early samples came from people we know—friends and family,” says Bloch. “It just turned out that we hit the jackpot on my dad’s sample.”

That product was tested in five generations of small field trials before going into larger trials this summer. Pivot worked with twenty-five farmers across the US to each grow a few acres using the liquid probiotic treatment. The harvest has yet to come in, and the data with it, but farmers like Misch are already excited. He learned on Twitter that an associate of his was participating in the trial, so Misch stopped by his farm to walk the test rows last week. What he saw convinced him to sign up to be Pivot’s first customer in Indiana. “If you go back 10 years, biologics get a mixed review from farmers,” says Misch. “These are living organisms and they act with every environment differently, but the science has come a long way.” The way Misch crunches the numbers, using this kind of probiotic plant treatment could save him $20 an acre, or about a third of his current annual nitrogen investment.

Is it enough to save the planet? Мүмкін жоқ. But at least it's a step in the right direction.


Бейнені қараңыз: 7-сынып қолдану. Табиғаттағы және адам өміріндегі бактериялардың маңызы. (Желтоқсан 2022).