Study Guides (238,072)
United States (119,662)
Boston College (3,462)
Biology (447)
BIOL 2200 (15)
All (15)

COMPLETE Microbiology for Health Professionals Notes: Part 1 - got a 93% on final

79 Pages
Unlock Document

Boston College
BIOL 2200

Gene regulation Control sites: DNA sequences that bind proteins, and influence transcription Regulator genes: Encode activators – bind to promoters on DNA and recruit the polymerase Encode repressors – bind to the operator or promoter region of DNA to prevent transcription Lac Operon – as an example of a regulated operon Encodes genes for metabolism of lactose A repressor gene (the I gene) encodes a repressor and keeps the operon OFF Expressed constitutively  If lactose is in the medium, it will bind the repressor  An activator gene encodes an activator, which is only active when glucose is low In low glucose, it will bind the promoter, and recruit the polymerase. Z gene codes for enzyme beta­galactisidase that cleaves lactose into glucose and galactose Y gene codes lactose permease ­ transmembrane protein that facilitates the passage of lactose across the  phospholipid bi­layer so it can be absorbed Last gene on lac operon – not important THEREFORE: The Lac operon is only active if lactose is present (removes the repressor) AND if it is needed (glucose low so the activator can bind) Lac operon negative regulation Repressor protein binds to operator and blocks transcription When lactose is present, it binds to repressor (strong affinity), and removes the block The lac operon cannot be turned on until lactose gets in but it is never 100% off; the affinity is just lower, which  is how lactose can still get in if it is present – once lactose is in, expression goes up and more permease is made;  positive feedback  Key components: If there is no lactose: repressor protein binds to operator region  ­ prevents transcription If lactose is present: it binds repressor; repressor can’t bind the lac DNA Consequence: these genes are only expressed with lactose is present Lac operon positive regulation RNA polymerase cannot bind the lac promoter unless an activator protein is present on the DNA The activator protein – CAP will only bind the lac promoter if it is complexed with cAMP cAMP is only present at high levels in the cell when glucose is low Kink in DNA, creates stable relationship with sigma factor Adjacent to promoter is the CAP binding site  Key components: Activator binds to the promoter – CAP­cAMP complex RNA polymerase will only bind to promoter if activator is bound CAP­cAMP complex will only form with glucose levels are low Consequence – these genes won’t be expressed in the presence of glucose Overview lac operon THEREFORE: the lactose operon is on only when 1. Lactose is available to be metabolized 2. Glucose is not available  When glucose is present the operon is OFF When lactose is absent the operon is OFF When glucose is ABSENT and lactose is PRESENT, only then is the promoter active and mRNA is made SUMMARY: GENE EXPRESSION Genes include the following information: • Promoter – where RNA polymerase binds • Site to start transcription and end transcription • Information for ribosome binding • Coding information for the protein ATG start and a specific stop Some genes are organized into operons • One promoter • A group of genes involved in a similar activity Some genes are expressed constitutively – on all the time • Enzymes involved in glucose metabolism Some genes are regulated ­ mostly at transcription and only when needed • Repressors inhibit transcription • Activators recruit the polymerase to the promoter i.e. genes for lactose metabolism only made when lactose is available and glucose is not i.e. genes for sporulation only made when environment signals problems Genetic stability vs. variation Stability essential to life Generation to generation species maintain continuity Maintain species Variation is essential to life; lack of variation will lead to extinction Balance between genetic stability and ongoing variation 2 mechanisms organisms use to generate genetic variation: mutation and genetic exchange Mutation in the genome Errors in DNA replication Environmental factors Vertical gene transfer – needs to be passed to daughter cells to find its way into the population  Mechanisms of genetic exchange First DNA gets transferred from donor cell to recipient cell Just a piece of DNA, it can’t replicate unless it recombines into the recipient’s chromosomes  The DNA gets incorporated in the genome OR self replicates When plasmid transferred cell▯cell, vertical transfer has to occur for it to find its way into the population Mutation Change in the nucleotide base sequence of a genome Frequency of mutation: Rare event (10^­6 = average) If was more common, organisms could not effectively reproduce Bacterial c’somes are more vulnerable to mutation than eukaryotic c’somes because the eukaryotic genome has  more junk – the probability that a gene is mutated in prokaryotes is higher Could be a neutral event Rarely leads to a protein that improves ability of organism to survive Errors in replication are corrected by DNA proof reading (function of DNA polymerase) Mutagens increase the mutation rate by a factor of 10 to 1000 times Cells have specific enzymes that recognize and repair damage Allele: All the different possible forms of a gene in a population The potential changes in sequence that could occur yet still code for the same protein If you isolate the sequence of a random gene from an organism and compare it to that of another  organism – we notice that the nucleotide sequences are similar but there may be some little variations –  these are 2 different alleles  Types of mutations Point mutations Most common One base pair is affected Insertions, deletions, and substitutions Chromosome rearrangements Large deletions Large insertions  (example: transposons) *study example page 217 (THECATATEELK) Possible effects of changing a nucleotide in the coding region: picture below Silent mutation – no change in amino acid Missense mutation – amino acid change – non functional Neutral mutation – amino acid change­ without significant change in function Nonsense mutation – stop translation in middle of gene Frameshift mutation – insertion or deletion in middle of gene Deleterious: truncated (shortened) peptide Frameshift mutations (below) Transposition = large insertion into chromosome Transposons = segments of DNA that move from one location to another in same or different molecule First discovered in corn; called “jumping genes” Structure of simple and composite transposals Both encode an enzyme for moving around the chromosome – simple ones simply consist of no more than  two inverted repeats and a gene that encodes for transposase.  Composite transposons carry other information (non essential to the cell) Mechanisms of gene transfer Genes are naturally transferred between bacteria using three mechanisms 1.   Transduction: bacterial DNA that is transferred via a virus 2.   DNA­mediated transformation: uptake of DNA from the surrounding medium  3. Conjugation: DNA transfer by direct contact from the donor cell to the recipient Donor cell does not die Only mechanism where there is direct contact Genetic Exchange involves a donor and a recipient Donor – the bacterium whose DNA will be transferred     1.   Transduction:  cell that was infected with a virus     2.   Transformation – cell that died and DNA is in the medium     3.   Conjugation ­ cell that makes the pilus ­> contact  Recipient – bacterium that will receive the DNA, and potentially change its genome Transduction ­ via bacteriophage (common mechanism!) Virus particle packages bacterial DNA by accident when virus attaches to new host cell it injects the bacterial  DNA, not virus DNA Recipient gets donor DNA and now has to integrate it Transformation – update of extracellular DNA Dying cells contribute DNA to the medium – these are the donors Recipient cells require a complex of proteins on the surface –to take up the DNA Controlled process – quorum sensing used  Bacteria won’t make the uptake complex unless the population is high enough  40 different species (may be more) Conjugation (cell­to­cell contact) 1. Donor cell makes a sex pilus 2. Donor and recipient make direct contact 3. Donor transfers a copy of chromosomal DNA (or a plasmid) to the recipient Genetic exchange must be followed by genetic recombination! Plasmids are exception because they can self­replicate  What happens if there is no recombination? Recombination required if the transferred chromosomal DNA is to be maintained in the population Homologous Recombination Typical mechanism for the recipient to incorporate the donor DNA Requires sequence homology – maintains the species Mechanism used after transduction, transformation and conjugation Not needed after transfer of a plasmid Not the same mechanism as transposon insertion Bacterial chromosomes are circular Two regions of homology required  In between the regions of homology can be very different Requires Rec A protein and others SUMMARY:  Genetic Variation Mutation (point mutations or transposon insertions) Occurs a constant low frequency Most mutations do not improve the functioning a gene product Essential for organisms to survive in changing environments Genetic Exchange Donor cell transfers part its genome to a recipient cell Three mechanisms Transduction – donor DNA is in a virus Transformation – donor DNA is released into medium Conjugation – donor DNA transferred to the recipient by direct contact Genetic exchange must be followed by recombination into the recipient chromosome Exception­ plasmid DNA self replicates EVOLUTION of bacteria – Increase in antibiotic resistance Acquisition of new properties for virulence Variation in virulence among different strains of pathogens More summary: ­10 and ­35 refer to where the sigma factor binds  +1 = start of transcription ATG = refers to sequence of DNA that will specify the start codon on the RNA molecule (ATG on DNA, AUG  on RNA)  Point mutation in ­10 area – might affect the affinity of binding, might not Changing one nucleotide in that region is unlikely to make it not work at all, but it may increase or decrease  strength of binding of sigma factor on polymerase  There is a variation from binding tightly to binding more strongly Different than changing several nucleotides where now it won’t bind at all Can depend on whether it was strong or weak promoter to begin with  Changing one nucleotide between ­35 and ­10 region: Will not really affect anything Deletion between ­35 and ­10 = these binding sites will become very close together and this would probably  destroy the promoter  No amino acid change: When nucleotide changes but there is no change in amino acid: codes for exact same protein = some triplets  (codons) code for same amino acid Genetic code = degenerate Example: 5 different codons code for the aa leucine  Called silent mutation – there was a mutation but you can’t see it: not expressed in phenotype No effect: Changing one base pair that codes for a different amino acid but has no affect on functioning of protein: if the  aa is not involved in binding to something specific, if it is an enzyme the amino acid is not involved in active  site, does not have major structural function  OR If the amino acid is similar (in size, charge) to the one that was supposed to be coded for – the chemistry is  similar enough so that the protein functions fine  Truncated peptide: the more truncated, the less likely it is to function If it is of normal length, but the protein does not work, it tells us that that amino acid plays a critical role in  folding protein properly, binding to something, might be active site of enzyme, etc. (that one amino acid is  critical to structure) Adding or removing 1 nucleotide within the coding sequence: everything shifted up one or back one – often a  premature stop is introduced  Adding or removing 2 nucleotides: same would happen ^ Removing 3: might not be a problem depending on where it occurs (best if it removes a codon) – the 3 removed  might not all be in the same triplet If amino acids removed at end of a protein (rather than in the middle) – usually less severe, usually less loss of  function for protein More on transposons: 2 common types: insertion sequences, composite transposons They all have an inverted repeat sequence and they encode information for an enzyme that allows it to insert  into the DNA – the sequence recognize short/random sequences on a chromosome, bind to that, and enzyme  cuts DNA and puts insertion in Transposons can move around in a chromosome, but they can also move around in a plasmid and be more  readily transferred to another organism – antibiotic resistance factor  At some point, selective pressure for transposon to jump onto a plasmid Plasmids typically don’t carry genes important to viability Transposons have longer lifespan when carried on plasmid If chilling in chromosome, chromosome will eventually die from the disruption; chromosomes have genes  important to viability and structure Transposon insertions within chromosome will often be lethal, so by jumping on a plasmid the transposon will  live longer (more dynamic) However, some genes the transposon can jump into in the c’some will not affect anything  More on 3 mechanisms of genetic transfer: Donor in transduction: the cell that was infected with a virus Donor in transformation: cell that died Donor in conjugation: cell that has pilus allowing for contact; most specific attachment Transduction – a cell got infected with a virus, virus got into cell and replicated itself, was in process of  packaging its genome but it made a mistake – instead of packing viral DNA it packaged a piece of bacterial  DNA – after cell released thousands of viruses, one was not viral DNA but bacterial DNA – this virus looks the  same on the outside (has all the proteins it needs) but inside it has bacterial DNA – it goes and infects another  cell, injects the genome just as if it were viral DNA but it is actually injecting bacterial DNA That cell is not infected with the virus – it gets a piece of bacterial DNA instead and that bacterial c’some gets  inserted into c’some  Very common Transformation: population of bacteria – bacteria are at a certain density – some cells are dying and release  DNA – that DNA is taken up by a recipient cell through a specialized mechanism on its membrane (Takes DNA  up from extracellular medium – whatever is outside the cell – medium that the bacterial population is living in)  – once DNA goes into cell it gets ultimately recombined In order for recipient cell to take up DNA, it requires a complex set of proteins on the membrane and typically  cells don’t make these things all the time, only when they get the signals (called cells become competent –  might have reached a certain density – something telling them that there is enough DNA out there to make this  complex) – cells have many ways to take up DNA/incorporate it Conjugation – donor cell makes sex pilus – makes contact with recipient – assembly of proteins in an area – as  cells are almost touching, a piece of DNA transferred into recipient Genetic exchange has to be followed by genetic recombination  The sequences in between the 2 regions of homology can be different and are what causes variation ANTIBIOTICS Four typical areas that antibiotics target Four basic mechanisms of resistance Three ways that bacteria acquire resistance Example of resistance:  Example 2:  A super beta lactamase confers resistance to many beta lactam antibiotics (i.e. penicillin) Beta Lactamases: ­ Hundreds identified  ­ Enzymes that hydrolyze beta lactams ­ Typically specific for a subset of beta lactams ­ Usually transferred by plasmids NDM­1 (New Delhi metallo­β­lactamase­1)  The most­recently discovered β­lactamase Can hydrolyze all penicillins,  cephalosporins and carbapenems –  basically all the known beta lactams. Most NDM­1­positive bacteria are broadly  resistant to other drug classes in addition to  β­lactams – due to other genes on the  plasmid Aminoglycosides  Fluoroquinolones The active site in NDM­1 – many different beta­ lactam antibiotics bind here and are cleaved In summary, the unique structural characteristic  probably contributes to the more potent hydrolysis  and broader substrate range of the novel MBL— NDM­1, especially for those bulkier antibiotics,  which are not degraded by other MBLs. Presence of NDM­1 does  Found on promiscuous plasmid not make a bacterium  Situated between two insertion sequences (transposons) more virulent­ only  May be part of an operon with another resistance factor harder to treat. *Sanitation infrastructure must be addressed to control NDM­1  within  India and Pakistan *A second reservoir of infected patients in the Balkan states *A case of a community­acquired acquisition of an NDM­1 producer was identified in France Immediate response to the emergence of bacteria with NDM­1  At the local level: All hospital admissions – screen at risk patients. Strict implementation of standard hygiene  Goal is to prevent local outbreaks and further spread At the international level: Worldwide surveillance network  Urgent need to re­invigorate research on antibiotics Late 1920’s ­ early 1930’s Alexander Fleming studied wound infection after WWI (lots of wounds and death) Cultured organisms common in wounds ­ Staphylococcus sp Swab wound ­> streak agar plate Antibiotic: a substance produced by a microorganism (molds or bacteria) that slows growth or kills bacteria   Fleming could not purify it; a group from England did it in early 1930’s. Types of Antibiotics  Natural Produced by bacteria, molds Have been purified Can be synthesized in lab Examples = Penicillin, cephalosporins  Semi­synthetic Improve efficiency of the natural product Reduce its side effects Circumvent developing resistance by the targeted bacteria Expand the range of bacteria it can treat Examples = Ampicillin (derived from penicillin), cefoxitin (derived from cephalosporins) Completely synthetic Newest class Target specific process Designed in lab Examples = Fluoroquinolones (target nucleic acid synth.), sulfa drugs (target folic acid synth.) Target areas: True/False: Mutations occur upon exposure to the antibiotics. FALSE – mutations occur at random, independently of potential advantage or liability. 4 antibiotic target areas 1. Inhibition of cell wall synthesis B­lactams (penicillin, ampicillin, methicillin, cephalosporins), glycopeptides (Vancomycin), bacitracin Penicillin (beta­lactam) binds to transpeptidases and prevents cross­linking (last step of peptidoglycan  synthesis) May trigger endogenous enzymes that degrade peptidoglycan (autolysins) Vancomycin binds to the tetrapeptide of peptidoglycan so it can’t be cross­linked (typically IV delivery) TOO BIG to cross Gram­ outer membrane, so G­ bacteria = resistant to Vancomycin Bacitracin interferes with transport across the cytoplasmic membrane of the monomer subunit for peptidoglycan; used topically because of toxicity; buy from drugstore in tube Random: Competition – the bacteria that reproduce/grow faster have advantage in passing on their genome  Antibiotics give selective advantage to certain bacteria, the ones with an advantage grow faster  2. Inhibition of protein synthesis Structure of prokaryotic ribosome acts as target for many antimicrobials of this class Aminoglycosides (erythromycin), tetracyclines, macrolides Kanamycin, gentamicin, streptomycin (aminoglycosides) delivered IV or IM (intramuscular) *Aminoglycosides are the ones I need to remember (remember names and mechanism) Block initiation of translation and cause misreading of mRNA Tetracyclines are one of least toxic drugs (overused) Erythromycin also inhibits protein synthesis *70S ribosome is structurally different from 80S ribosome. 30S + 50S ribosomes form 70S ribosome. S is a measurement of sedimentation rate 3.  Inhibition of folic acid synthesis Bactrim (trimethoprim), sulfa drugs (Septra) = completely synthetic antibiotics Septra is structural analog of PABA (precursor) Growth analogs – mimic substrate – bind to enzyme #1 and tie it up to make it unavailable for interaction with  its substrate (blocks pathway) Remember: broad spectrum against lots of bacteria, completely synthetic, interferes with chemical  pathway which humans are not dependent on *Humans get tetrahydrofolate thru the diet 4.  Inhibition of DNA or RNA synthesis   Quinilones, fluoroqunilones, rifampins DNA ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ▯  DNA     ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ▯   mRNA Inhibited by  Inhibited by rifampin Quinolones Quinolones inhibit the A subunit of DNA gyrase, an enzyme which induces supercoiling.   Lots of toxicity  associated with theses drugs. Rifampins inhibit the synthesis of DNA­dependent RNA polymerase.   Host range can be broad (affect lots of bacteria i.e. tetracyline) or narrow (penicillin) Streptomycin might be wrong in above diagram. Viruses: antiviral drugs are typically unique and effective for only one virus Mechanism of antibiotic resistance 1. Barriers to entry (limiting access of antibiotic into cell) Gram­negative bacteria are naturally resistant to some because of the outer membrane  (Vancomycin) Outer membrane porins act as barriers – doesn’t let everything through Reduced uptake across cytoplasmic membrane ­ not common 2. Enzyme degradation/ modification (enzyme inactivation of antibiotics) B­lactamases ­ occur naturally in response to Penicillin ­ passed around different organisms Cleaves B­lactam ring of penicillin­like drugs Usually specific to a small subset of b­lactams Evolved from cross linking enzymes (the target of penicillin)         Effect countered by adding b­lactamases inhibitors (i.e. sulbactam) Aminoglycoside – bacteria have modifying enzymes so antibiotic can’t function Add groups (P, adenyl, acetyl) to antibiotic Located outside cytoplasmic membrane in G­ bacteria 3. Efflux pumps Antibiotic gets into cell but pumped back out (energy of proton motive force) Provide resistance to tetracyclines (very efficient), some macrolides, fluoroquinolones Found in gm+ and gm­ 4. Alteration of a target site (modification/protection of the target; altered but still works) Examples: • Cross linking enzyme modified transpeptidase (won’t bind to penicillin) • Change the aa side chain ­ D­ala­D­ala to D­ala­D­lactate (can’t be modified by vancomycin) • Methylation of adenine open the 23SrRNA • Point mutations alter affinity of enzymes for antibiotics Summary of resistance mechanisms How do bacteria acquire antibiotic resistance? 1.  Part of the natural cell structure 2.  Mutation of an existing gene ­ slow process Porins for entry Membrane proteins for attachment to drugs Ribosome alteration 3.  Acquisition of a resistance factor or mutated gene – faster, more efficient Transduction Transformation Conjugation Plasmid­born resistance genes; multi­drug resistance Transposons Adaptations of molecules that are already there and have normal functions – already present – the gene requires  a mutation and this changes something slightly and over time there is a selective advantage to maintain it 2 bacteria: one penicillin­resistant, one not Antibiotic gets into cell but cannot function What change in the cell would make it not work?  ▯Altered form of enzyme; enzyme most likely wouldn’t work as well   ▯Mutation in transpeptidase; cell will probably grow more slowly  Can’t compete as well But when penicillin added – bacteria now competes well because it is resistant to this antibiotic (still  growing at same pace, but the other cells are now dead so this cell has advantage) Quiz questions on Oct 9 PowerPoint Another factor: # ribosomal genes Potential target of antibiotics that inhibit protein synthesis – something would have to be changed on the  ribosomal structure (one of subunits, etc.) The # of ribosomal genes (genes encoding proteins/RNAs) can be just one but there may be multiple  copies of the same gene – getting a mutation in each one of those genes is a very low probability Bacteria with single copies – more likely to be mutated The ribosome – carrying mutant RNA – will not work as well (no improvement) Why is resistance increasing? 1) Not finishing antibiotics: leftover bacteria grow and become resistant to the drug. 2) Massive use of antibiotics under situations where there are no bacteria or bacteria not appropriate. 3) Overuse of antibiotics in agriculture – antibiotics not there to fight infections but to prevent infections  from happening so that growth of animals is robust. Contributes to bacteria gaining resistance and thriving in presence of antibiotics When can bacteria carry a resistance gene in the absence of any antibiotics? Can slow down cell growth; resistance genes can make bacteria weaker – not more robust What if bacteria acquire a beta­lactamase? Will it be a selective disadvantage? Possibly not: beta­lactamase just an enzyme, won’t do damage to cell if other cell processes not slowed  down Beta lactamase genes floating around are not selected against. Possible:  If energy is used to make it Bacteria in long run that are particularly dangerous: when the acquisition of antibiotic resistance not significant  to cell it will be maintained and pass down – over time could end up with lots of bacteria resistant to particular  antibiotic.  Summary points: ~Natural antibiotics are synthesized by organisms to inhibit the growth of other organisms in their ecological  niche; modification of natural antibiotics (semi­synthetic) generates antibiotics that extended spectrum and  reduce toxicity. ~Resistance occurs in the population, but is often accompanied with a selective disadvantage.  In the absence of  the antibiotic, these organisms will grow slower and not dominate the population.   ~Overuse of antibiotics has led to the persistence of resistance genes, giving organisms additional time to  further adapt or overcome the intrinsic negative consequence of carrying these genes (i.e. a mutated  transpeptidase gene can be further mutated to regain some efficiency while retaining resistance to PC) ~Transposons and plasmid have facilitated the transfer of resistance to a wide variety of bacterial species. ~The acquisition of resistance does not make a bacterium more virulent.  It will make a virulent pathogen more  difficult to treat. ~Populations are never homologous, there are always variations Growth of microbial populations Generation time Time required for a bacterial cell to grow and divide Dependent on chemical and physical conditions Microbial growth in a closed system • Lag phase Interval of time between when a culture is inoculated and when growth begins • Exponential growth (log) phase Cells in this phase are typically in the healthiest state • Stationary phase Growth rate of population is zero Either an essential nutrient is used up or waste product of the organism accumulates in the  medium Stage preceding death • Death phase Total # viable cells decreases at constant rate Death is exponential; slower rate than growth Diauxic growth curve Growth, lag, growth, lag, growth, stationary (then death if all substrates exhausted) BIOFILMS (more than 99% of all bacteria live in biofilm communities) Biofilms = specialized, surface­attached communities One species of multiple, organic or inorganic surfaces Examples = plaque on teeth that cause decay (streptococcus mutans), mystery clog in drain, slippery rocks when  crossing a stream, salmonella outbreaks in food, tampon fibers, pseudomonas lung infection When microbial biofilms bind together sedimentary grains, they can form stromatolites Benefits of biofilms: Self­defense Resist physical forces Resist phagocytosis Penetration of toxins (i.e. antibiotics) Allows cells to remain in a favorable niche Allows bacterial cells to live in close association with one another  Nutrient uptake, waste disposal, etc IMPORTANT: FORMATION OF THE BIOFILM Community of cells Secrete an extracellular polysaccharide (EPS) Attach to a variety of different surfaces Quorum sensing controls Biofilm formation Senses size/density of population Secretes signal (auto­inducer) At high concentrations the concentration of the signal rises and the auto­inducer will change gene  expression When the concentration gets high enough, it can re­enter the cell  After re­entry, binds to activator, which will turn on genes and make new proteins These proteins will make the biofilm (i.e. EPS is synthesized)   Quorum sensor senses size of population  ▯secretes auto inducer  ▯signal concentration keeps rising  ▯gene  expression changed  ▯auto inducer re­enters cell due to rising # (concentration gradient shifts)  ▯turns on genes  ▯ makes new proteins▯EPS is synthesized  ▯mature biofilm Maturation (step 4 in biofilm formation) Cell clusters Void spaces Water channels supply nutrients and flush out waste Circle: Individual bacteria piling on top of  each other to form pillars called  microcolonies Arrows: Water channels that supply nutrients  and flush out waste   How do biofilms provide antibiotic resistance? Protection Slow growth Gene exchange How could a slower growth rate increase the antibiotic resistance in the population in the absence of antibiotics? If everybody is growing slowly, it is not a selective disadvantage anymore (normally it is better to grow fast to  not get outcompeted); these disadvantages are eliminated when everybody grows more slowly because  resistance can build up in these populations Detachment (step 5 in biofilm formation) Not understood Might be part of the stress response to starvation Leave the biofilm to find more food (survival mechanism) Summary of biofilm formation • Biofilms begin with the bacterial cell attaching to a surface • Additional bacteria build and are connected by weak Van der Waals bonds • The bacteria will permanently anchor themselves using pili (for example) • Original colonizers make more adhesion sites and begin to form a matrix that increases the strength of  the overall forming biofilm. Secretion of components create an extracellular matrix ­ surrounds and  protects • Not all species can adhere, but all can adhere to the formed matrix • Quorum sensing involved in forming the biofilm ­ specific communication • Grows by cell division and addition of new bacterial cells • Slow population growth leads to accumulation of mutations ­ antibiotic resistance Pseudomonas aeruginosa  Gm­ rod Aerobic or anaerobic (metabolically versatile) Motile (flagella) Opportunistic pathogen 90% CF deaths due to complications from pseudomonas  Also includes most pulmonary diseases Cystic Fibrosis Most common fatal, inherited disease in the United States. Genetic disorder ­ autosomal recessive gene Average life expectancy used to be under 30 yrs. With treatment, now up to age 50 Gene responsible = transmembrane Cl­ ion channel (CFTR)  Prevents proper  folding of the protein  and targets it for  degradation  CFTR = Cl­ ion channel Found in the apical membranes of secretory epithelial cells. Maintains electrolyte balance and water flow A malfunctioning CTFR disrupts epithelial ion transport Reduces hydration Respiratory mucous is more viscous  Expressed in a lot of cells Problems with malfunctioning: lungs and pancreas CF (below) Na + H20 + Na Na + Na + - Cl Cl- - Cl - Cl Cl- - Cl Na + ENAC CFTR + Na + Na CFTR + Na Na + Na + - Cl Cl- Cl- + Na Na + - Cl - Cl Cl- - Cl Healthy H20 CF treatment Historically ­ treat the symptoms Today – drugs are aimed at the cause – depending on the mutation Drug designed to unblock the channel Or drug designed to get the protein to the membrane   Bacterial infections over time in CF patients S. aureus is early P. aeruginosa appears later Fig 2. Bacterial Incidence in Cystic Fibrosis The incidence of bacterial infection thought a CF patients life varies depending on numerous factors. The graph shows some of the bacteria associated with lung disease in CF and its incidence overtime. Percentage of Patients Age (Years) P. aeruginosa are trapped and colonize the mucus Pseudomonas aeruginosa characteristics Opportunistic pathogen Unique environment (mucin) Epithelial cells change their surface receptors at adolescence  Colonization around age 12 More receptive to Pa attachment P. aeruginosa uses flagella to get through mucous Psuedomonas infection Acute infection • Colonization and invasion • Healthy immune response eliminate • Immunocompromised are vulnerable Chronic infection • Bacteria form biofilms • Can’t be eliminated • Bacteria evolve to evade inflammatory/immune response (IR) • Inflammation occurs anyway • Continual damage to the tissue • Inadequate IR In CF, the nature of the mucus creates a platform for colonization Salient/important features: ~CF lung provides the opportunity for colonization by P. aer. ~Biofilm is resistant to antibiotics ~Biofilm selects for variants that overproduce EPS ~Continual inflammation leads to irreversible lung damage – eventually fatal. Summary: Single species biofilms common in disease P. aeruginosa common factor in CF complications ~ Resistant to antibiotics ~ Contributes to on­going inflammation and damage ~ Conditions select for strains that overproduce mucoid Role of factors involved in quorum sensing in biofilm production: creates possibilities for drug intervention Environmental factors affecting growth • Nutrients – source of carbon, energy  • Effects of Temperature on Microbial Growth • Oxygen and Microbial Growth • Toxic Forms of Oxygen • Microbial Growth at Low or High pH • Salt concentrations • Osmotic Effects on Microbial Growth Oxygen Results in toxic­by­products – reactive oxygen species (ROS) Is essential for obligate aerobes Final electron acceptor  > 20% oxygen in the air Aerobic organisms have enzymes to detoxify ROS Strict or obligate anaerobes do not have these enzymes ROS Comes from ionizing radiation A by­product of aerobic respiration Can also come from phagocytic cells Many have an unpaired e­ All organisms living in oxygen must have a way to neutralize these molecules How do cells protect themselves from ROS?  Enzymes to detoxify: 1.   Superoxide dismutase 2O 2 + 2H+  ­> O  +2H O 2 2 2.   Catalase H 2 2­> 2 H O2+ O 2 3.   Peroxidase H 2 2+ NADH ­> 2H O + N2D 4.   Antioxidants (Vitamin C, E, others)  superoxide anion (#2) hydroxyl radical (#3) hydrogen peroxide (#5) hypochlorite ion (#6) **Just recognize names, not formulas Randomly associate with cellular proteins;  disrupt structure/function Microbial growth and oxygen • Aerobes: use oxygen to live • Anaerobes: do not require oxygen and may even be killed by exposure • Facultative organisms (anaerobes): can live with or without oxygen • Aerotolerant anaerobes: can tolerate oxygen and grow in its presence even though they cannot use it • No preference for growing in oxygen or without • Microaerophiles: can use oxygen only when it is present at levels reduced from that in air Oxygen­related growth zones in a standing test tube Growth vs. O2 concentration a = obligate aerobe No energy thru fermentation Example: micrococcus b = obligate anaerobe Anaerobic respiration or fermentation Cannot live in presence of O2 or detoxify ROS  Example: clostridium  c = facultative anaerobe Flexible; prefers aerobic respiration (O2) but can grow without it Example: E.coli (Escherichia coli) Catalase positive d = microaerophilic Can respire and ferment Prefer lower levels of O2 Often lacking an enzyme for oxygen toxicity (not a robust mechanism) Example: strep mileri e = aerotolerant (ferment only) Can grow in O2 but does not use it Energy from fermentation or possibly anaerobic fermentation Have enzymes to detoxify ROS Example: streptococcus pyogenes VIROLOGY What are viruses? Non­living infectious agents Replicate inside a host cell (can’t replicate on their own) Leave cell once their genetic material is within cell Some common diseases Mononucleosis Influenza HIV/aids Chicken pox Viral meningitis HPV – warts – responsible for cervical cancer Common cold Why do we not have many anti­viral drugs? AIDS is a disease that we have a lot of anti­viral drugs for because it’s contagious, widespread, and  100% fatal Expensive and time­consuming Viruses can mutate (RNA viruses mutate the fastest) Viruses are inside our cells so it’s harder to make anti­viral drugs Definitive properties of viruses They have to grow within a host cell (host dependency) = obligate intracellular RNA v DNA viruses If genome is RNA it behaves differently than DNA when inside a cell  DNA virus can utilize the things inside our cell more easily Need to encode (at minimum) viral capsid proteins Virions (virus particles before within host cell) get assembled from newly synthesized components in  cell Progeny virions are the vehicle to deliver genome to next cell (protects genome) Energy production and protein synthesis are completely dependent on host cell Viruses need to find common ground between being too lethal and too ben
More Less

Related notes for BIOL 2200

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.