Cellen är den minsta, självständiga, levande enheten i en organism. Varje cell har förmåga att utvinna energi att göra sig av med avfallsprodukter och att reproducera sig. Celler kan leva länge om närings- och energitillförseln är god och om avfallsprodukterna transporteras bort så de inte ansamlas till giftiga doser. Olika celler har olika strategier för att få energi och näring. Det finns två huvudtyper av celler, prokaryota- och eukaryota. De eukaryota har en cellkärna, till skillnad från de prokaryota, som saknar cellkärna. Till gruppen mikroorganismer räknas alla prokaryoter och små eukaryoter Som kräver mikroskop för att ses, t.ex. mikroalger, svampar och protozoer. Virus tillhör också ämnesområdet mikrobiologi. Mikroorganismer och virus är kraftfulla verktyg inom biotekniken. För att kunna utnyttja de möjligheter som finns inom biotekniken och för att förstå dess begränsningar är det viktigt att känna till cellens utveckling. Kapitlet inleds därför med en presentation av hur den första cellen kan ha bildats. Därefter beskrivs uppbyggnaden av prokaryota celler samt hur prokaryota celler utbyter gener. Jorden bildades för ca. 4,5 miljarder år edan. De flesta forskare anser att de första levande cellerna bildades väldigt tidigt, redan för mellan 3,5 och 4 miljarder år sedan. Tills alldeles nyligen ansåg de flesta forskarna att de första levande cellerna bildades i grunda vatten eller i fuktiga sediment. Jordytan var i början en mycket ogästvänlig miljö. Instrålningen Från rymden var stor och jordytan träffades ofta av asteroider och kometer. De första levande cellerna kan ha bildats på havsbotten, vid sprickningszonerna på 2000-3000 meters djup. Andra anser att de första cellerna utvecklats i vattenfyllda bergssprickor. Samtliga fall handlar det om mycket extrema miljöer. Det verkar mest troligt att de första cellerna var prokaryoter, eftersom man i dag finner prokaryoter i de mest extrema miljöer- på ställen där det är för varmt, för kallt, för surt eller för basiskt för eukaryota organismer att leva. Att de första cellerna innehöll DNA har tidigare ansetts självklart. I dag börjar detta ifrågasättas. Det verkar inte rimligt att alla komplexa reaktioner mellan DNA och färdigt protein skulle utvecklas efter varandra. möjligheten kan det från början istället ha funnits en RNA-värld. Virus kan t.ex. ha antingen DNA ler RNA som genetisk kod. Det har även spekulerats om att virus skulle kunna vara en variant av den tidigaste cellen. Men, hävdar många, virus kan inte ha uppkommit före levande celler, eftersom alla virus är intracellulära obligata parasiter, vilket innebär att de endast kan reproduceras i en cell Virus använder värdcellens cellorganeller och enzymer för replikation och proteinsyntes. Prokaryoter Tidigare delades alla organismer ini två grupper: prokaryota- och eukaryota organismer. Men när forskarna på 1970-talet gjorde genetiska undersökningar, upptäcktes en grupp ”bakterier” som skiljde sig avsevärt Från båda grupperna. De fick namnet arkéer. Numera delas därför de levande organismerna i i tre domäner eller riken: eubakterier (Bacteria), arkéer (Archea) och eukaryoter (Eukarya). Arkéer har lika lite gemensamt med eubakterier som med eukaryoter. Tabell: En jämförelse melllan de tre rikena med avseende på cellkarakäter. (X) förkommer i viss organismer. Karaktär. Bacteria. Archea. Eukarya Kärnmembran - - X Membranomslutna organeller. - - X Peptidoglykan i cellväggen X - - Flera olika RNA-polymeras - (X) - Introner - (X) - Arkéer De flesta arkéer hittar man i extrema miljöer som varma källor eller i saltdammar. De delas in i tre stora huvudgrupper: metanogener, extrema halvfigur och extrema termofiler. Mikroorganismer som lever i dessa miljöer har stort biotekniskt intresse. Metanogener är obligata anaerober, vilket innebär att syrgas är giftigt för dem. De har ett unikt sätt att få energi - koldioxid (CO2) reduceras av vätgas (H2) och bildar Metangas (CH4) . Många metanogener lever i våtmarker och i sediment för andra bakterier har förbrukat all syrgas som fanns. Andra trivs bäst i den anaeroba delen av tarmen hos celllulosaätande djur som nötkreatur och termiter. Metanogener används inom biotekniken för rötning av slam och produktion av metangas s.k biogas. Extrema halofiler finns i saltdammar och i Döda havet, men även på saltad fisk. För att klara saltstressen måste de lagra ämnen som är osmotiskt aktiva utan att enzymaktiviteten i cellen lada. Forskning pågår där man försöker manipulera växter så att de bildar dessa månen för att kunna växa på marker ssom innehåller mycket salt. Viss halofiler har även ett fotopigment, bakterierhodopsin, som är inbyggt i cellmembranet. Färgämnet ger bakterien en röd färg,, vilket gör att saltet får en rödaktig ton. Bakerierhodopsinet absorberar ljus och använder denna energi till bilda en vätejongradient som sedan driver syntesen av ATP. Detta ä raden enklaste formen i naturen, där ljus omvandlas till kemisk energi. Extrema elmotorer trivs bäst i mycket varma källor, där temperaturen ligger mellan 60°C och 80°C. De har speciella membran och proteiner som inte förstörs av den höga värmen. Termofila bakterier producerar värmestabila och värmestuga enzymer. Det mets kända värmestabila enzymet har störst aktivitet vid 75°C och använd vid PCR för maskopierna av DNA. Eubakterier Eubakterier eller Bacteria, om man i dag säger, utgör den största gruppen av prokaryoterna. Det finn tusentals olika arter. Men bakterier kan egentligen inte delas in i arter som växter Och djur eftersom de inte har sexuell förökning. Bakteriesystematiken bygger på att man delar in bakterie som är lika i grupper. Det finns många sätt att gruppera bakterier. Två metoder som tidigare var vanliga, var att klassificera bakterier efter karaktärer som är synliga i mikroskop - t.ex. cellstorlek, cellform och färgningsreaktioner - eller efter metaboliska och fysiologiska likheter, t.ex. kvävefixerande bakterier eller sporbildande bakterier. I dag dominera systematiken istället av de molekylära teknikerna. Sekvensen på kvävebaserna i vissa regioner på ribosomalt RNA visar mer om bakteriers släktskap och utveckling än utseende och biokemiska likheter. Många arter klassificeras nu om. I kapitlet om bioinformatik kan du läsa mer om dessa tekniker. Prokaryota organismer delas numera in i grupper beroende på genetiska likheter, membran- och cellväggsuppbyggnad samt på vilket sätt energi och näring tas upp och omsätts. Prokaryoters struktur Trots att arkéer och eubakterier är mycket olika har en del likartade egenskaper. I det här avsnittet kommer arkéer och eubakterier att behandlas som en grupp, prokaryoter. Olikheter mellan grupperna kommer att påpekas när de är av betydelse. Prokaryota organismer är encelliga. De ör små, vanligen 1-5 mikrometer och delas in i sfäriska (kocker), stavformade (baciller) eller spiralformade (vibrioner, spiriller, och spriocheter). Storlek och form varierar med tillväxtförhållandena. Både vibrioner och stavar blir små och kulformade under näringsbrist. De flesta prokaryoter lever ensamma, men vissa arter kan bilda grupper av två elle flera celler (kolonier). Alla celler i en koloni kan leva ensammma. Prokaryoter som lever i koloniform kan ha specialiserade celler. Ett exempel är Anabaena, en cyanobakterie, som lever i vatten och bildar långa trådar av celler. När Anabaena utsätts för energi- och näringsbrist omvandlad en del celler till heterocyster som kan fixera luftens kväve. Heterocysterna är jämnt fördelade över celltråden. Vilka celler som blir heterocyster verkar vara slumpartat. Prokaryoter har en cellvägg av peptidoglykan. Peptidoglykan är en polysackarid som korsbinds med polypeptider. Arkéer saknar peptidoglykan. Deras cellvägg är uppbyggd av andra polysackarider eller av protein. Både peptidoglykan och pseudomurein är uppbyggda av en polysackarid och proteiner, men ämnenas struktur är väldigt olika. Cellväggen ger prokaryoter dess form och skyddar dem från att brista. med hjälp av färgningsmetod, s.k gramfärgning, kan man skilja på bakterier med tjock och tunn cellvägg. Prokaryoter delas in i grampositiva och gramnegativa celler beroende på hur de reagerar på färgningsmetoden. Grampostivia bakteria har ett tjockt lager av peptidoglykan med ca 50% tekoinsyra insprängt, medan gramnegativa har ett tunt lager peptidoglykan och ett yttermembran som innehåller lipopolysackarider. Även arkéer kan klassificeras med gramfärgning trots att de saknar peptidoglykan. Vanligen hittar man grampostivia bakterier i terrest miljö och gramnegativa i akvatisk miljö. Den akvatiska miljön är mer stabil, och därför klarar sig bakterien med ett tunt lager peptidoglykan. Av de bakterier som är patogena (sjukdomsalstrande) är de gramnegativa vanligen mest besvärliga. Yttermembranet kan skydda bakterien från attacker från immunförsvaret. Dessutom är lippolysackariden i yttermebranet ofta toxisk. Den gramnegativa bakterien är mindre känslig för antibiotika eftersom yttermembranet skyddar bakterien. Många antibiotika (t.ex. penicilliner och vankomycin) blockerar eller stör cellväggssyntesen, vilket får till följd att bakterien lystrar (spricker sönder). Eftersom peptidoglykan är unikt för bakterier, påverkas inte människans celler. Däremot påverkas inte människas celler. Däremot påverkas vi om antibiotikan slår ut vår egen normala bakterieflora. Bakterier kan bära på plasmider med gener som ger resistens mot vissa antibiotika. Kunskapen om bakteriers känslighet för antibiotika och deras utveckling av resistens används som hjälpmedel inom biotekniken.