L27 Maak kennis met extremofielen
advertisement
Maak kennis met extremofielen Prof. dr. Huub Op den Camp NIBI Onderwijsconferentie, Lunteren, 13 januari 2017 “De biologie van het allerkleinste” Department of Microbiology Wat weten jullie al: instaptoets Ga naar https://b.socrative.com/login/student Room number: 286260 Succes !! Department of Microbiology Wat is een extremofiel? Department of Microbiology Inleiding • Microbiologen bestuderen microscopisch kleine levende wezens: bacteriën, gisten, schimmels, algen en protozoen • Onderzoek is gericht op vorm, structuur, reproductie, (eco)fysiologie, metabolisme en classificatie • Onderzoek en onderwijs gericht op begrijpen en toepassen Department of Microbiology Genomic – Molecular – Biochemical – Physiology – Ecology – Applied Stikstof cyclus • Ammonium • Nitraat • Nitriet • NOx • Hydrazine Koolstof cyclus • Methaan • Koolstofdioxide Zwavel cyclus • (IJzer) Sulfide • VOZV Department of Microbiology Biogeochemische cycli Bacteriële redox reacties zijn de drijvende kracht in alle ecosystemen !! Inleiding Wie doet Wat, Waar, Wanneer, Waarom en met Wie Department of Microbiology Simone de Koster * 15 april 1989 † Department 29 maartof2015 Microbiology http://www.sistersdiary.nl/ Kunst Wetenschap Department of Microbiology Hug et al. 2016, Nature Microbiology The Tree of Life: een eenvoudigere weergave Extremofilie komt voor in alle domeinen van het leven De mens Escherichia coli LUCA http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201656 Department of Microbiology Methanosarcina subterranea Bakkersgist Micropia Amsterdam Department of Microbiology Het beerdiertje (Tardigrada) 0.5 tot 1.5 mm groot http://www.flabber.nl/Bart-Jan de Brouwer Department of Microbiology alleen overleving, geen groei Voorbeelden van extremofielen Barofielen (hoge druk, 1100 atm) Halofielen (hoge zout concentraties 3.5% [zee] tot 30%) Xerofielen (droogte) Alkalifielen (hoge pH, >11) Acidofielen (lage pH, < 1) Psychrofielen (lage temperatuur, -15°C) Thermofielen (hoge temperatuur, 122°C) De Psychrofiel Department of Microbiology Barofielen http://www.jamstec.go.jp Mariana Trench: 2.5 °C, druk 1100 atm Department of Microbiology Groei van barofielen uit de Mariana trench Robot-arm voor monstername op 11 km diepte Groeisnelheid (1/td) Optimale groei Stam DB21MT-2 Geen groei Stam DB21MT-5 1100 atm 1 µm Stam DB21MT-2 1 µm Stam DB21MT-5 Department of Microbiology 1 200 400 600 800 Druk (atmosfeer) Kato et al. (1998) Appl. Environ. Microbiol. 64: 1510–1513 1000 Nog meer verrassingen in de diepzee (2,5 – 3 km diepte) Department of Microbiology ©NOAA Okeanod Explorer Program Black smokers https://www.youtube.com/watch?v=QffkyLYB_PA Department of Microbiology Een perfecte symbiose Pluim Hart Dorsaal bloedvat Organische stof Energie Trofosoom Ventraal bloedvat Trofosoom Capilair bloedvat Worm Buis Worm Buis Bacteriën Afvalopslag Sulfide Zuurstof Kooldioxide Bacteriën NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 - Flickr NOAA Photo Library Department of Microbiology Halofielen (vaak ook alkalifiel) Octopus spring Yellowstone Parc Lake Natron, Tanzania Department of Microbiology Monod Lake, California Lake Magadi, Kenia Halofielen en zoutwinning Great Salt Lake, Utah Department of Microbiology https://www.flickr.com/photos/gabojor/7761000542/ Halofielen Alicante, Spain MicrobeWiki Haloquadratum walsbyi http://www.slideshare.net/AnjaliMalik3/extremophiles-imp-1 http://www.slideshare.net/guest82ae33/extremophiles?next_slideshow=1 Department of Microbiology Henk Bolhuis & Francisco Rodriguez-Valera Haloquadratum walsbyi www.labroots.com Department of Microbiology Mount Etna erupts on December 3, 2015. MARCO RESTIVO/DEMOTIX/CORBIS Department of Microbiology Hier is het allemaal begonnen, … Campi Flegrei (brandende velden), Napels Department of Microbiology Oude Romeinse Sauna Modderpoel (Fangaia) Fumarolen Department of Microbiology Fumarolen “Bocca Grande” (= grote mond) Stoom van 160°C Department of Microbiology Arjan Pol neemt monsters van de modderpoel …… Heet: 50-70 ºC Zuur: pH 1-2 Weinig zuurstof Fangaia (mudpot) Department of Microbiology bij de oude sauna ……. Hete damp: >70 ºC Zuur: pH 1-2 Department of Microbiology en monsters van de zure bodem van de vulkaan Department of Microbiology Mogelijke voedingsstoffen voor de vulkaan microben Koolstofdioxide Zwavelverbindingen (o.a. waterstofsulfide) Methaan (aardgas) Waterstofgas Ammoniak Koolmonoxide Zuurstof (vanuit de lucht) Department of Microbiology Pol et al. Nature 450: 874-878 (2007) Methaan (aardgas) Department of Microbiology Smeulders et al. Nature 478: 412-416 (2011) Zwavelverbindingen Koolstofdisulfide (CS2) Koolstofdisulfide wordt als oplosmiddel gebruikt in de viscose/kunstzijde industrie Toxisch, vluchtig, ontvlambaar en explosief Koolstofdisulfide moet verwijderd worden Biofilters zetten koolstofdisulfide om in zwavelzuur (>10% recyclen ) Nieuwe acidofiele bacteriën uit de Solfatara voor biofilters Department of Microbiology Marc Ruygrok, 2009 Department of Microbiology Ophoping van acidofiele methaan-eters 10 ml mineraal medium in 100 ml flesjes pH 2, 50 °C Methaan als voeding 1 ml modder uit de Solfatara modderpoel Schudden Wekenlang geen activiteit maar dan ….. Department of Microbiology Ophoping van acidofiele methaan-eters Opnieuw methaan toegevoegd Methaan concentratie (µmol) 100 90 80 Arjan’s Paasvakantie 70 60 50 40 30 20 10 0 11/02 21/02 3/03 13/03 23/03 Datum Department of Microbiology 2/04 12/04 Isoleren van de bacterie via drijvende filters Geen groei op agar ! Verdunningsreeks Department of Microbiology Losse kolonies reincultuur Groei karakeristiek Temperatuur 55 °C pH = 2 Verdubbelingstijd: 10 h 9 2.0 1.6 Methaan (mmol) 7 6 1.2 5 4 0.8 3 2 0.4 1 0.0 0 0 20 40 Tijd (u) Department of Microbiology 60 80 Troebelheid bij 600 nm 8 Identificatie van de bacterie: 16S rRNA Verrucomicrobia (subdivision 2) Verrucomicrobia (subdivision 1) Verrucomicrobia (subdivision 4) FISH Solfatara mudpot isolaat SolV Verrrucomicrobia (subdivision 3) Verrucomicrobia (subdivision 5) 0.05 Lentisphaerae Methanotrophic γ- Proteobacteria Methanotrophic α - Proteobacteria Protochlamydiae /Chlamidiae Planctomycetes Anammoxacaea To other groups Department of Microbiology 450: 874-878 (2007) Department of Microbiology Een verassende bevestiging: Hell’s gate, New Zealand Verrucomicrobia (subdivision 2) Verrucomicrobia (subdivision 1) Verrucomicrobia (subdivision 4) Methylacidiphilum infernorum V4 Verrrucomicrobia (subdivision 3) Methylokorus infernorum V4 Methylacidiphilum fumariolicum SolV Acidimethylosilex fumarolicum SolV Methylacidiphilum kamchatkense Kam1 Methyloacida kamchatkensis Kam1 Verrucomicrobia (subdivision 5) 0.05 Lentisphaerae Methanotrophic γ- Proteobacteria Methanotrophic α - Proteobacteria Protochlamydiae /Chlamidiae Planctomycetes Anammoxacaea To other groups Op den Camp et al. (2009) Environ. Microbiol. Rep 1:293-306 Department of Microbiology Uzon Caldera, Kamchatka Morfologisch onderzoek: elektronen microscopie Methylacidiphilum fumariolicum SolV A. B. C. D. Hoge druk vriezen en vries-substitutie Negatief kleuring Vries-etsen cryoSEM Schaalbalkjes 200 nm van Teeseling et al. (2014) AEM 80:6782-6791 Department of Microbiology Identificatie van de lichte en donkere deeltjes in de bacteriecel Courtesy Rob Mesman Department of Microbiology Tomography: Joey Kampman et al. unpublished Methylacidiphilum fumariolicum SolV CH4 Methylacidiphilum infernorum V4 OD600 O2 CH4 Td = 10 h OD600 Td = 21 h Methylacidiphilum kamchatkensis Kam1 OD600 = 0.4 CH4 Td = 38 h Department of Microbiology Groei karakeristiek Td = 10 hours 9 2.0 1.6 Methaan (mmol) 7 6 1.2 5 4 0.8 3 2 0.4 Troebelheid bij 600 nm 8 Water monster uit de Solfatara 1 0.0 0 0 20 40 60 80 Tijd (u) Voor optimale groei is water uit de Italiaanse modderpoel nodig waarom? Department of Microbiology Droog 4 uur bij 550 ºC oplossen in zuur het werkt nog !! moet een mineraal zijn ICP-MS analyse van het modderpoelwater Table 1. Bijzondere aardmetalen in water van de Solfatara modderpoel Concentratie (µM) Bemonstering Chemische symbolen 2011 2009 La 0.7 0.47 Ce 1.4 0.95 Pr 0.13 0.09 Nd 0.45 0.29 Sm 0.07 0.045 Eu 0.01 0.01 Gd 0.06 0.04 Totaal 2.8 1.9 Department of Microbiology Wat gebeurt er tijdens de groei met Solfatara water? = Cerium MPW-supplemented (4 %) medium Department of Microbiology = Praseodymium = Neodymium Tijd (u) Troebelheid (600 nm) Concentratie (nM) = Lanthanum Groei op medium met Cerium 4 320 nM Ce Troebelheid bij 600 nm 3.5 3 2.5 80 nM Ce Vervangt het water uit de modderpoel 2 40 nM Ce 1.5 20 nM Ce 1 Nodig om een enzym actief te maken 10 nM Ce 5 nM Ce 0 nM Ce 0.5 0 0 10 20 30 Tijd (u) Department of Microbiology 40 50 60 Kristalstructuur van het methanol dehydrogenase In “normale” methanol dehydrogenases zit hier een calcium atoom Pol et al. Env. Microbiol. 2014 Department of Microbiology Kristalstructuur van het methanol dehydrogenase Cerium ???? Pol et al. Env. Microbiol. 2014 Department of Microbiology 0.09 0.08 Growth rate (h-1) 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 Zeldzame aardmetalen 0.01 0 La, Ce, Nd or Pr Sm Department of Microbiology Eu Gd None or Ca Toenemende belangstelling in REE Achterzijde van bladeren van planten gevonden op de campus van San José State University Afdrukken op een agar plaat ammonium mineraal medium met methanol zonder (links) o f met (rechts) 20 µM LaCl3 Incubatie bij kamertemperatuur gedurende 1 week Skovran & Martinez-Gomez (2015) Science 348:862-863 Department of Microbiology Plannen voor de toekomst Solforata di Pomezia Solfatara di Pozzuoli Department of Microbiology Eiland Vulcano Department of Microbiology Department of Microbiology Kopergravure uit1751
