Irányzatok a biológiában

http://mikrobiologia.elte.hu/ Irányzatok a biológiában 2016 1

1953 Bánhegyi József mikroszkópos gombák, algák rendszertana antibiotikum termelő aktinobaktériumok 1974 Szabó István Mihály környezeti bakteriológia - tenyésztésen alapuló módszerek (talajok, természetes vizek, állat- és növény mikroba kölcsönhatások, taxometria) 1993 Márialigeti Károly környezeti mikrobiológia és biotechnológia tenyésztésen alapuló és tenyésztéstől független molekuláris biológiai módszerek mikrobiális taxonómia 2

Borsodi Andrea extrém környezetek mikrobiális diverzitása, geomikrobiológia Felföldi Tamás vizes élőhelyek mikrobaközösségeinek genomikai vizsgálata Makk Judit környezeti biofilmek vizsgálata, mikroszkópos technikák alkalmazása Romsics Csaba környezeti kármentesítés, bioremediációs technikák fejlesztése Tóth Erika oligotróf környezetek mikrobiológiája, bakteriális taxonómia Vajna Balázs baktérium - gomba kapcsolatrendszerek megismerése Nagymáté Zsuzsanna hálózati ivóvizekben zajló nitrifikáció vizsgálata Pohner Zsuzsanna mikrobiális diverzitás elemzés ipari rendszerekben Szabó Attila természetes alkalikus és sós állóvizek metagenom elemzése 3

Oktatási tevékenység Biológia alapszak - BSc Biológus szakirány Általános mikrobiológia I.A EA (bb1c1527) Általános mikrobiológia I.B EA (bb1c1522) Általános mikrobiológia II.A GY (bb1c4623) Általános mikrobiológia II.B GY (bb1c4619) Alkalmazott mikrobiológiai és minőségbiztosítás gyakorlat (bb1c4b09) Biológus mesterszak - MSc Molekuláris, Immun- és Mikrobiológia szakirány (MIM) Irányzatok a mikrobiológiában EA (bb2n1m06) Klasszikus és molekuláris mikrobiológiai módszerek GY (bb2n4m03) Mikrobiológus Szakirányú Továbbképzési Szak 4

Tankönyvek Márialigeti K. (szerk): Bevezetés a prokarióták világába (2013) http://www.eltereader.hu/kiadvanyok/bevezetes-a-prokariotak-vilagaba/ Borsodi A., Márialigeti K.: A prokarióták világáról tanároknak (2015) http://ttomc.elte.hu/kiadvany/prokariotak-vilagarol-tanaroknak Márialigeti K., Tóth E. (szerk): Practical Microbiology (2013) http://ttktamop.elte.hu/practical-microbiology Vajna B., Tóth E., Felföldi T.: Methods in Environmental Microbiology and Bacterial Taxonomy (2016) 5

A mikrobiológia tudománya Biolumineszkáló Photobacterium tenyészet Petri-csészében 1 baktérium telep (~10 7 sejt) Photobacterium sejtek - SEM felvétel Mikroszkopikus méretű élőlények világának megismerése A mikrobiális életről szerzett tudás alkalmazása az emberiség és a Föld javát szolgáló folyamatokban 6

Az egysejtes szerveződésű mikroorganizmusok jellemzői Anyagcsere Mozgás Szaporodás Differenciálódás Evolúció Kommunikáció 7

A mikroorganizmusok és környezetük sejtek populációk kölcsönhatások (környezettel és más populációkkal) mikrobaközösségek ökológiai rendszerek 8

Mikroorganizmusok kölcsönhatása növényekkel, állatokkal 9

Mikroorganizmusok a Földön mikrobasejtek (Bacteria és Archaea) száma: ~2,5 x 10 30 5 x 10 17 g C (~ azonos a teljes növényi C mennyiségével) mikrobiális N és P >10 x több mint a növényi biomasszában Élőhely % Óceáni kéreg 66,0 Szárazföldi kéreg 26,0 Felszíni talajok 4,8 Óceánok 2,2 Minden más (édes és sósvízű tavak, háziállatok, tengeri jég, termeszek, ember) 1,0 10

Mikroorganizmusok alkalmazása élelmiszeripar (tejtermékek, sör, bor) ipari fermentációk bioüzemanyag (etanol) előállítás biológiai szennyvíztisztítás 11

A mikrobiológia tudománya 1. A baktériumok szerveződésének, szerkezetének és működésének megismerése Mikrobiális funkcionális anatómia 2. Mikrobiális diverzitás (fajok, élettani csoportok, biokémiai rendszerek sokféleségének) feltárása Mikrobiális taxonómia és fiziológia 3. Mikroorganizmusok kölcsönhatásának vizsgálata az élettelen és élő környezettel, az anyagcsere szinttől a fajok, a közösségek szintjéig Mikrobiális ökológia 4. Mikrobafajok, funkciók, biokémiai rendszerek leszármazásának és rokonsági viszonyainak feltárása Mikrobiális evolúció MEGISMERÉS - MEGÉRTÉS - FELHASZNÁLÁS Alkalmazott mikrobiológia 12

A mikrobiológia kutatási módszertanának alapjai molekuláris módszerek tenyésztéses eljárások Ω molekuláris módszerek tenyésztéses eljárások Pierre Teilhard de Chardin (Le phénomène humain, 1955) 13

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Mikroszkópos vizsgálati módszerek Anthon van LEEUWENHOEK (1632 1723) Robert HOOKE (1635-1703 ) 14

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Fénymikroszkópos vizsgálati módszerek Látható fény használata Nagyító lencserendszer (objektív, okulár), gyűjtőlencse Felbontóképesség d = 1,22 / (2n x sin ) ~ 0,2 mm Áteső fényű mikroszkóp Sötét látóterű mikroszkóp Fáziskontraszt mikroszkóp Fluoreszcencia mikroszkóp Natív és festett preparátumok morfológiája 15

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Fénymikroszkópos vizsgálati módszerek 16

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Elektronmikroszkópos vizsgálati módszerek a tárgy leképezésére elektronágyúból származó elektronnyaláb szolgál felbontóképesség ~ 0,2 nm Transzmissziós EM a tárgy vizsgálata elektronsugárral való átvilágításban Pásztázó EM a tárgy felületéről a minta mozgatásával állít elő képet FEI Quanta 3D típusú kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp (SEM/FIB) 17

A baktériumok tenyésztése Robert KOCH (1843 1910) szilárd táptalaj alkalmazása Petri-csészében lemezöntés és a platinadrótos átoltás technikája tiszta tenyészetek telepmorfológiai tulajdonságok leírása, eltérő tenyészfeltételek (tápanyag, hőmérséklet) klasszifikáció (osztályozás) Korlátok TÁ P TA L A J O K S Z E L E K T I V I TÁ S A MIKROORGANIZMUSOK ÉLETTANI ÁLLAPOTA (VBNC = viable but non culturable) 18

Tenyésztésen alapuló vizsgáló módszerek 19

Tenyésztésen alapuló vizsgáló módszerek Baktériumtörzs: ismert eredetű, megkülönböztető jelzéssel ellátott, folyamatos továbboltással fenntartott tenyészet Baktérium faj: a baktérium törzstenyészetek homogén, vagy nagyon hasonló tulajdonságokat mutató csoportja 20

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Immunológiai vizsgálati módszerek 21

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Kemotaxonómiai bélyegek elemzésén alapuló baktériumközösség vizsgálat 22

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Carl WOESE (1928-2012) 16S és 18S rrns gének bázissorrend elemzése ÉLŐVILÁGBAN HÁROM DOMÉN (1977) 23

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Nukleinsav kivonásra alapozott baktériumközösség vizsgálat 24

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Nukleinsav kivonásra alapozott baktériumközösség vizsgálat 25

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Nukleinsav kivonásra alapozott baktériumközösség vizsgálat Korlátok, torzítások MINTA ELŐKÉSZÍTÉS NUKLEINSAV KIVONÁS (NEHEZEN FELTÁRHATÓ SEJTEK) NUKLEINSAV TISZTÍTÁS MULTITEMPLÁT PCR, PRIMER SZELEKCIÓ 26

Nem tenyésztéses mikrobiológiai vizsgálati módszerek Újgenerációs szekvenálás 27

Klasszikus ökológiai kérdések Milyen szervezetek találhatók egy adott környezetben? Milyen feladatot látnak el ott? Hogyan, milyen kölcsönhatásokban szerveződnek közösségekké? Mi a hatásuk az emberi népességre, hogyan hasznosíthatóak? 30

1. Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei 1.1. Vizek és vizes élőhelyek mikrobiológiája - különleges környezetek 1.2. Terresztrikus élőhelyek mikrobiológiája 1.3. Állat-mikroba kapcsolatrendszerek 1.4. Növény-mikroba kapcsolatrendszerek 1.5. Gomba-mikroba kapcsolatrendszerek 2. Mikrobiális taxonómiai és ökológiai vizsgáló módszerek fejlesztése 2.1. Klasszikus és modern fenotípusos módszerek 2.2. Nukleinsav alapú módszerek 3. Alkalmazott mikrobiológiai kutatások 3.1. Xenobiotikumok mikrobiális átalakítása 3.2. Szennyvíztisztítás és komposztálás 3.3. Ivóvizek és ipari vizek mikrobiológiája 3.4. Fenntartható mezőgazdasági termelés mikrobiológiája 4. Polifázikus taxonómiai kutatások 4.1. Prokarióta és eukarióta mikroorganizmusok taxonómiája 4.2. Gerinctelenek taxonómiája 31

lúgos Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei A bakterioplankton működésének és sokféleségének szerepe különböző makrofiton borítottságú sekély tavakban Zab-szék Sós-ér Fertő, nyílt víz Fertő, Kis-Herlakni Szt. Anna-tó Balaton (Siófok) Kolon-tó savas Mohos Felföldi Tamás, Márialigeti Károly, Romsics Csaba, Tóth Erika tiszta vizű színes 32

Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei Budapesti termálfürdők vizének bakteriológiai vizsgálata Tóth Erika A forrásból és a medencéből kitenyésztett baktérium nemzetségek *: a tudományra nézve eddig ismeretlen baktérium taxonok 33

Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei Hipogén karsztosodási folyamatokban résztvevő mikrobaközösségek HIDEG TERMÁL MEDENCE Borsodi Andrea, Makk Judit Sulfuricella (b) - GOB Sulfurisoma (b) - GOB Sulfuritalea (b) - GOB Thiobacillus (b) - GOB, RTB Thiobacter (b) - RTB H 2 S Hippea (d) - GOB, RNB Desulfuromonas (d) - GOB, RNB Desulfuromusa (d) - RTB Geobacter (d) - DHB Thermanaeromonas (Firmicutes) - RTB Thermosulfidibacter - RNB (Thermodesulfobacteria) S 0 oxidation Sulfur Cycle reduction S 0 Desulforhabdus (d) - GOB Desulfocurvus (d) - GOB Desulfocarbo (d) - GOB Desulfomonile (d) - RNB Desulforegula (d) - GOB Desulfovibrio (d) - DHB Acidiferrobacter (g) - RTB Thiohalomonas (g) - DHB Thioprofundum (g) - RTB SO 4 2- Thermodesulfobacterium (Thermodesulfobacteria) - RTB Thermodesulfobium (Firmicutes) - GOB, RNB Thermodesulfovibrio (Nitrospirae) - RTB, RNB 34

Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei Extremofil baktériumközösségek az Ojos del Salado vulkán (Száraz-Andok) magashegyi környezetében Borsodi Andrea Névtelen tó, 6500 m Névtelen tó, 5900 m Aquificae Deinococcus-Thermus Chloroflexi Nitrospirae Chalditrix Cyanobacteria Chlorobi Proteobacteria Firmicutes Actinobacteria Planctomycetes Acidobacteria Bacteroidetes Verrucomicrobia Gemmatimonadeted WS5 TM7 OD1 Minta származási helye Tszf m AS-1 6500 + + + + + AS-2 6500 + + + + + AS-5 5900 + + + + + + + AS-10 5900 + + + + + + + AS-14 4350 + + + + + + AS-13 3770 + + + + + + + + + Simba vulkáni krátertó, Andok 5870 + + + + Socompa vulkán, Andok 5824 + + + + + + Llullaillaco vulkán, Andok 6330 + + + + + + + + + Laguna Lejía, Andok 4325 + + + + Laguna Vilama, Andok 4650 + + Morénató, Mount Everest 5140 + + + + + Gleccser olvadékvíz, Mount Everest 6350 + + 35

Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei A só és víz-stressz hatása kiskunsági szikes talajok baktériumközösségeinek diverzitására és aktivitására Borsodi Andrea 36

Temperature in the production house ( C) [line] Természetes ökoszisztémák mikrobaközösségei A laskagomba-termesztés mikrobiológiája I/1. I/2. I/3. II/1. II/2. II/3. Pohner Zsuzsanna, Vajna Balázs 30 25 20 15 10 5 0 Sampling Vegetative growth 90-95% RH without illumination Fruiting body development 95-98% RH 12 hour illumination/day First flush and harvest 80% RH 12 hour illumination/day Second vegetative growth without illumination Fruiting body development 95-98% RH 12 hour illumination/day Second flush and harvest 80% RH 12 hour Illumination/day 1 8 12 22 30 36 43 50 57 64 71 350 300 250 200 150 100 50 37 0 (day) Biological efficiency / day (%) [bars]

Mikrobiális taxonómiai és ökológiai módszerek fejlesztése Klasszikus és modern fenotípusos módszerek Környezeti minta Közvetlen szélesztés csíraszám becslés Egyszerű dúsítás Dúsítás pur-hab tömbbel Tóth Erika 38

Mikrobiális taxonómiai és ökológiai módszerek fejlesztése Nukleinsav alapú módszerek piroszekvenálás Felföldi Tamás, Szabó Attila, Vajna Balázs félvezető alapú szekvenálás 39

Alkalmazott mikrobiológiai kutatások Oltókultúra kifejlesztése, léptéknövelt prototípus előállítása és tesztelése klórozott rövid szénláncú szénhidrogének kármentesítésére triklór-etilén cisz-diklór-etilén vinil-klorid etén A dúsított oltókultúra léptéknövelése 0,5L-2L-5L-100L térfogatban Márialigeti Károly, Nagymáté Zsuzsanna, Romsics Csaba 40

Alkalmazott mikrobiológiai kutatások Biológiai szennyvíztisztítás eleveniszap flokkulumok Acinetobacter towneri CFII-87 fenolbontó képessége műanyag hordozók kolonizációja Felföldi Tamás, Márialigeti Károly, Pohner Zsuzsanna, Szabó Attila, Vajna Balázs 41

Ivóvízhálózatok jellemzése Alkalmazott mikrobiológiai kutatások Ivóvizek és ipari vizek mikrobiológiája Márialigeti Károly, Nagymáté Zsuzsanna, Romsics Csaba 42

Alkalmazott mikrobiológiai kutatások Fenntartható mezőgazdasági termelés mikrobiológiája Bioszén szerves mezőgazdasági (állati, növényi) hulladékok pirolízise (anaerob hőbontása) során keletkezik porózus finomszemcsés nagy széntartalmú megköti a talaj tápanyagait (N, P, stb.) a víz megkötésével talajszerkezet-javítás hőháztartás javítása savanyú talajok ph optimalizálása PGPR növényi növekedést elősegítő baktériumok növényi gyökerek kolonizálása anyagcsere révén növekedés serkentése pl: Azospirillum, Azotobacter, Bacillus, Pseudomonas, Rhizobium fajok csírázási sebesség növelése gyökérzet fejlődésének elősegítése növényi hidraulikus aktivitás fokozása a levélöregedés mértékének csökkentése egyes fertőzésekkel szemben rezisztencia Talajoltó törzsek szabadföldi kísérletben való nyomon követése T-RFLP módszerrel Márialigeti Károly, Pohner Zsuzsanna, Romsics Csaba 43

Polifázikus taxonómiai kutatások Schineria larvae (Ignatzschineria larvae) gen nov. sp. nov. (Tóth et al. 2001, 2007) Pannonibacter phragmitetus gen. nov. sp. nov. (Borsodi et al. 2003) Bacillus aurantiacus sp. nov. (Borsodi et al. 2008) Nocardioides daphniae sp. nov. (Tóth et al. 2008) Wohlfahrtiimonas chitiniclastica gen. nov. sp. nov. (Tóth et al. 2008) Siphonobacter aquaeclarae gen. nov. sp. nov. (Táncsics et al. 2010) Bacillus alkalisediminis sp. nov. (Borsodi et al. 2011) Cellulomonas phragmiteti sp. nov. (Rusznyák et al. 2011) Nocardioides hungaricus sp. nov. (Tóth et al. 2011) Ottowia pentelensis gen. nov. sp. nov. (Felföldi et al. 2011) Tahibacter aquaticus gen. nov. sp. nov. (Makk et al. 2011) Aquipuribacter hungaricus gen. nov. sp. nov. (Tóth et al. 2012) Thermus composti sp. nov. (Vajna et al. 2012) Phreatobacter oligotrophus gen. nov. sp. nov. (Tóth et al. 2013) Eotvoesia caeni gen. nov. sp. nov. (Felföldi et al. 2014) Hephaestia caeni gen. nov. sp. nov. (Felföldi et al. 2014) Arenimonas subflava sp. nov (Makk et al. 2015) 44 Zoogloea oleivorans sp. nov. (Farkas et al. 2015)