מיקרו ביולוגיה

דף זה דן במיקרו אורגניזמים כאשר ההרחבה על וירוסים וחיידקים, מבנה החיידק מאפייני החיידק מנגנון השיתוף של תכונות עם חיידקים אחרים, עקומות ריבוי, יכולת הסתגלות לתנאים של חומציות טמפרטורה, שינויים ברמת חמצן וכו וכו ותהליך הנביגה, הוירוס ומחזור השכפול שלו דרך תא מארח, על אנטיביוטיקה ועל

הרחבה על מחלות בדך מחלות זיהומיות.

מחלות זיהומיות חלק א

מחלות זיהומיות 2

מבנה החיידק

מבנה החיידק מתבטא גם באברונים שלו, גם בצורות, וגם בחלוקת חיידקים על פי מבנה הדופן בין גראם שליליים בעלי דופן כפולה לגראם חיוביים בעליה דופן עווה אחת. המבנה שונה ברמות השונות כימית ומורפולוגית.

מבנה החיידק: הצורה של החייזק בהמשך גם מבנה הדופן.

– פילי, – ריבוזום, – קפסולה, – דופן התא, – שוטון חיידקי, – ציטופלזמה, חלולית, – פלסמיד, מולקולת DNA, – קרום התא,

במגוון צורות שונות המושפעות משלד התא ודופן התא החיידקי:

חיידקי נקד (Coccus) – חיידקים בעלי צורת כדור. כל החיידקים ששמם מסתיים ב-"coccus", לרוב יהיו מאוגדים בגושים. יש נקדים המאורגנים בשרשראות כדוגמת הסוג Streptococcus ויש שמתארגנים באשכולות כדוגמת הסוג Staphylococcus.

חיידקי מתג (Bacillus) – חיידקים בעלי צורת מקל. לרוב יהיו מאוגדים בשרשרות כדוגמת הסוג Bacillus.

קוקובצילים (Coccobacilli) – חיידקים בעלי צורה כדורית מוארכת, שמהווה מעין מצב ביניים בין צורה נקדית למתגית. חיידקי המין Francisella tularensis בעלי צורה זאת. מתגים מכופפים – כפי ששמם רומז אלה חיידקים בעלי צורה של מתג מכופף בניגוד למתג ישר. זו מעין צורת ביניים בין מתג לסלילון. חיידקי המין Vibrio cholerae בעלי צורה זאת.

חיידקים סלילוניים (Spiral bacteria) – חיידקים בעלי צורת סליל, כדוגמת Campylobacter jejuni.

לחלק מהחיידקים יש, בנוסף למעטפת התא גם שכבה רירית נוספת העשויה לרוב מרב סוכר, שכבה זו מאפשרת לחיידקים להיצמד לאשכולות, וכן מסייעת לחיידקים בהתמודדות עם תאי דם לבנים.

תנועה

יש חיידקים בעלי שוטונים המאפשרים לחיידקים לנוע ולעומתם יש אחרים המצוידים באמצעי הצמדות. מינים שונים של חיידקים נבדלים במספר ובסידור השוטונים על פניהם; לחלקם יש שוטון בודד (monotrichous), שוטון בכל אחד מהקצוות (amphitrichous), אשכול של שוטונים בכל קצה (lophotrichous), או שוטונים על פני כל התא (peritrichous). השוטון החיידקי מורכב מ-20 חלבונים, יחד עם כ-30 חלבונים נוספים החיוניים להרכבה ולרגולציה של השוטון. השוטון הוא מבנה שמסתובב בבסיסו המונע הודות למפל אלקטרוכימי.

שוטון

שוטון (בלעז: Flagellum) הוא התארכות של קרום התא הכולל כפולות של מיקרוטובולים מקבילים באורך 55 מיקרומטר. בבני אדם, התא אשר משתמש בשוטון הוא תא זרע.

השוטון הוא איבר דמוי שוט אשר אורגניזמים חד תאיים רבים, וכמה רב תאיים, משתמשים בו לתנועה. השם הוא שם כולל לשלושה מבנים שונים, המצויים בכל אחת מהממלכות העיקריות בעולם הטבע. בחיידקים אמיתיים השוטון ומקטעים סליליים מסתובבים כמו בורג. בחיידקים קדומים המנגנון דומה, אך מכיל הבדלים רבים ולכן חושבים שאינו הומולוגי. בתאים איקריוטיים השוטון הוא מנגנון מורכב של הרחבות תאיות לכיוונים שונים. אלה נקראת לעיתים ריסונים (Cilia) או אונדוליפודיה (undulipodia) על מנת להדגיש את השוני.

תנועה באמצעות שוטונים

כיוון תנועת השוטון הוא באחת משתי דרכים, עם כיוון השעון (CW) ונגד כיוון השעון (CCW), כאשר השוטון נע עם כיוון השעון, החיידק "יפרפר" במקום וינוע בתנועה סיבובית, כאשר החיידק חש כי הוא מכוון כלפי מקום בעל ריכוז חומר מזון גבוה, הוא ישנה את כיוון התנועה של השוטון לנגד כיוון השעון ובכך יגרום ליצירת "צמה" של שוטונים ותנועה בקו ישר.

השוטון בחיידקים אמיתיים

תצורות שונות של שוטונים בחיידקים

בחיידקים אמיתיים מורכב השוטון מהחלבון flagellin ובנוי מצינור בעובי 14 ננומטר. לשוטון מבנה סלילי, והוא מתעקל בחדות ליד החיבור לדופן התא. סיבוב השוטון מתבצע על ידי מנוע חלבוני, המעוגן לממברנה בנקודת החיבור של השוטון. תנועת ה"מנוע" מתאפשרת באמצעות מעבר פרוטונים (יונים חיוביים של מימן) דרך דופן תא החיידק. אצל חיידקי הויבריו מונע המנוע על ידי גרדיאנט של נתרן. מהירות הסיבוב המתקבלת נעה בין 6,000 ל-17,000 סיבובים לדקה ללא שוטון, ועם שוטון כ-200 עד 1000 סיבובים לדקה.

בחיידקים האמיתיים מסוגלים מרכיבי השוטון להרכיב שוטון באופן ספונטני, ללא אנזימים נוספים. בנייה הדרגתית של השוטון מתבצעת על ידי הוספת יחידות בקצהו. מספר השוטונים והסידור היחסי שלהם משתנה בין מינים שונים של חיידקים. חיידקים בעלי שוטון בודד נקראים Monotrichous וחיידקים בעלי מספר שוטונים – Lophotrichous. בחיידקים מסוימים קיים שוטון אחד מכל צד, תכונה המאפשרת להם כיוון לשני צדדים (אצל חיידקים אלה שוטון אחד פעיל בכל זמן נתון והם נקראים Amphitrichous. חיידקים ששוטוניהם מכוונים לכל הכיוונים קרויים Peritrichous. השוטון מהווה לעיתים קרובות ככלי ניגוח בין תומכי האבולוציה על פי דרווין, ובין תומכי תורת התכנון התבוני. ויכוח זה חל בעקבות מורכבותו של השוטון והטענה של הבריאתנים כי אינו יכול להיווצר באופן ספונטני משום שלחלקיו השונים, לכאורה, אין פעילות ביולוגית.

מושגים והסברים על יכולת התניידות של חיידקים

מטען גנטי של חיידקים

למרבית החיידקים יש כרומוזום מעגלי בודד היכול להגיע בגודלו מ-160,000 זוגות של בסיסים ב-Candidatus Carsonella ruddii ועד ל-12,200,000 זוגות בסיסים ב-Sorangium cellulosum. חיידקים מן הסוג Borrelia, כדוגמת החיידק Borrelia burgdorferi האחראי למחלת ליים, הם יוצאי דופן מבחינת סידור הגנום, ולהם כרומוזום קווי יחיד. הגנים בחיידקים הם לרוב מקטע רציף ב-DNA, ובמינים מעטים בלבד נמצאו אינטרונים בגנים. חיידקים רבים מכילים פלסמיד, שהם מקטעי DNA נוספים על הכרומוזומים שיכולים להכיל גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה או גנים המקודדים פקטורים פתוגניים. סוג נוסף של DNA חיידקי הם נגיפים המשתלבים בתאי החיידקים (בקטריופאג'ים) בתופעה הידועה כליזוגניות. קיימים זנים רבים של בקטריופאג'ים, חלקם מתמוססים בתוך התא של החיידק המארח, ואילו אחרים נוספים אל הכרומוזום של החיידק. הנגיפים עשויים להשפיע על פנוטיפים שאותם מבטא החיידק, ודוגמה לכך היא ביטוי גנים של רעלנים על ידי החיידק Clostridium botulinum כאשר יש בו פאג'. חיידקים פיתחו מנגנוני הגנה שונים מפני פאג'ים בהם אנזימי הגבלה, החותכים DNA זר, או רצפי קריספר, שהם מקטעים חוזרים בגנום המאפשרים לחיידקים לפתח חיסון נרכש מפאג'ים.

חיידקים, כאורגניזמים שמתרבים ברבייה אל-זוויגית, יורשים העתקים זהים של הגנים של הוריהם. ואולם שינויים בגנים עשויים להתרחש בעקבות שחלוף או מוטציה. מוטציות נוצרות בעקבות שגיאות במהלך העתקת ה-DNA או כתוצאה מחשיפה למוטגנים. שיעור המוטציות במיני חיידקים שונים הוא גבוה, ואף בזנים שונים מאותו המין. שינויים גנטיים בגנום החיידק עשויים להתרחש או בעקבות מוטציות אקראיות, או בעקבות מוטציות הנגרמות ממצבי עקה, שבה גנים החיוניים להתפתחות חיידק בסביבה מסוימת עוברים מוטציות רבות.

הרחבה על אברונים שמכילים מטען גנטי

נוקלאואיד

נוקלאואיד ("כמו גרעין") אזור בתא פרוקריוטי וכן במיטוכונדריה ובכלורופלסט, הדוחס בתוכו באופן זמני את כל או את רוב החומר התורשתי. בניגוד לגרעינים של תאים איקריוטיים, אין לנוקלאואידים ממברנה תוך תאית המפרידה באופן פיזי את אזור זה משאר הציטופלזמה. הגנום של פרוקריוטיים עשוי מסליל אחד של DNA כפול, ואורכו משתנה מאוד מאורגניזם אחד לאחר. הגנום של הפרוקריוטיים, המאוחסן בנוקלאואיד מכונה גם ג'נופור (genophore). הוא ארוז בתוך ב-DNA supercoil, בעוד הכרומוזומים ארוזים בכרומטין. בדרך כלל בנוי הגנום הפרוקריוטי בצורה מעגלית ובמעטים מהפרוקריוטיים — בצורה קווית. האופי המעגלי של הג'נופור מאפשר שכפול ללא טלומרים. כמו כן, הג'נופור של הפרוקריוטיים קטן בדרך כלל מאשר הכרומוזומים של האיקריוטיים. עדויות מחקריות מצביעות על כך שכ-60% מהנוקלאואיד מורכב מ-DNA, אך שהוא מכיל גם RNA וחלבונים. רוב החלבונים וה-RNA שנמצאו הם בעיקר mRNA וגורמי שעתוק. דחיסת הנוקלאואיד נעשית באמצעות חלבונים המכונים חלבונים נוקלאואידים (nucleoid proteins), אשר נבדלים בפעולתם מההיסטון של התאים האיקריוטיים. בניגוד להיסטון, חלבונים אלה לא יוצרים נוקלאוזומים בהם ה-DNA סובב סביב חלבונים, במקום זאת משתמשים החלבונים הללו במנגנונים שונים המאפשרים קיפול יעיל של ה-DNA.

חלוקת מטען גנטי עם חיידקים אחרים

טרנספורמציה – קליטת DNA אקסוגני מן הסביבה.

טרנסדוקציה – בקטריופאג' (נגיף) מחדיר DNA זר על הכרומוזום של החיידק.

קוניוגציה – בתהליך שבו עובר DNA דרך מגע ישיר בין תאים.

קליטת גנים מחיידקים שונים או מהסביבה נקראת העברה גנטית אופקית, והיא עשויה להיות נפוצה מאוד בסביבה טבעית. להעברת גנים חשיבות מיוחדת בעמידות לאנטיביוטיקה, שכן היא מאפשרת העברה של גנים המקנים עמידות מאנטיביוטיקה בין פתוגנים שונים.

פלסמיד

כיצד הפלסמיד חולק מטען גנטי

פלסמיד הוא מקטע DNA מעגלי שאינו חלק מה-DNA הכרומוזומלי, ומתפקד כיחידה עצמאית המסוגלת להשתכפל בעצמה, אשר מיקרו אוגניזמים שונים מסוגלים להעביר אותה אחד לשני בתהליך הקרוי קוניוגציה, ובכך מתאפשרת העברת תכונות וגנים מחיידק בעל פלסמיד הקרוי חיידק תורם, לחיידק בעל חוסר בפלסמיד (חיידק מקבל, או -F). בין הגנים שבפלסמיד יש את היכולת לחיידק לתרום בעצמו פלסמיד. הפלסמיד לרוב מופיע בחיידקים, אך יכול להופיע גם באורגניזמים אאוקריוטיים (כדוגמת Saccharomyces cerevisiae).

2. במצב HFR הפלסמיד עבר איחוי ל-DNA הכרומוזומאלי, וכתוצאה מכך מועברים בקוניוגציה ראשית כל גנים מה-DNA הכרומוזומאלי. העברת הגנים מהפלסמיד נדחית, וזמן הקוניוגציה קצר מכדי שתכונות מהפלסמיד יועברו לחיידק המקבל. לכן, חיידק שקיבל פלסמיד מתורם מסוג HFR לרוב יוותר חסר פלסמיד. מצב HFR הוא הפיך, כלומר, פלסמיד שהתאחה עם ה-DNA הכרומוזומאלי עשוי לעיתים לשוב ולהפרד ממנו

3. במצב 'F נפרד הפלסמיד מה-DNA הכרומוזומאלי שהיה מאוחה בו (HFR) ולקח איתו תכונות של ה-DNA הכרומוזומאלי (לו נפרד ממנו בלי לקחת תכונות, היה שב החיידק למצב +F רגיל). במקרה כזה, קוניוגציה תתרחש כמו במצב +F והפלסמיד בלבד יועתק אל חיידק מקבל. אולם, בניגוד למצב +F, כאן יועתק במסגרת הפלסמיד גם מידע מה-DNA הכרומוזומאלי של התורם.

אפיזומים

אפיזומים הם פלסמידים המסוגלים להשתלב ב-DNA הכרומוזומלי. דבר זה מאפשר להם להישאר יציבים במשך זמן רב, להיות מוכפלים עם כל הכפלה של התא, ולעיתים אף להשתלב לצמיתות בחומר התורשתי של החיידק. חשיבותם האקולוגית של הפלסמידים

מיקרואורגניזמים בעלי פלסמיד, מתרבים בדרך כלל באמצעות פליגה, דבר גורם לשינוי מאוד קטן במגוון הגנטי של אוכלוסייה רק באמצעות מוטציות. על מנת להתפתח אבולוציונית ולהסתגל לתנאי הסביבה, החיידקים מוסרים ומעברים את הפלסמידים אחד לשני וכך גורמים לשינויים במגוון הגנטי. פלסמידים מקנים יתרון למיקרו-אורגניזמים שבהם הם מבוטאים, פלסמידים רבים מקודדים לחלבונים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה כגון החלבון בטא לקטמאז המנטרל את פעילות הפניצילין. כמו כן פלסמידים מקודדים לחלבונים המאפשרים מסלולים מטבולים ייחודיים, לדוגמה שימוש בלקטוז כמקור אנרגיה. מכיוון שגנים מן ה-DNA הכרומוזומלי העשויים לעבור מתורם 'F, והפלסמיד יכול לעבור מחיידק לחיידק- אם חיידק היה רגיש לסוג מסוים של אנטיביוטיקה וחיידק אחר העביר לו את הפלסמיד של העמידות אליה, החיידק המקבל יהיה עמיד לאנטיביוטיקה. לתהליך המעבר קוראים תהליך הטרנספורמציה, מלשון העבר (Transform). ישנם סוגים של חיידקים שאינם יכולים לקבל פלסמידים מסוימים. ליכולת לקבל פלסמיד קוראים קומפטנטיות. פלסמידים בשירות הביוטכנולוגיה

הפלסמידים הם כלי חשוב במעבדות גנטיקה וביוכימיה. ניתן ליצור פלסמידים מהונדסים, בהם משתמשים על מנת להחדיר גן רצוי לתוך חיידקים קומפטנטים. החדרת הפלסמיד לחיידקים נעשית באמצעות מכת חום בין היתר על מנת להגדיל את נפח החיידק ולהחליש את הדופן. קיימות חברות גדולות המשווקות פלסמידים מהונדסים גנטית על פי הביקוש. מכיוון שיעילות החדרת הפלסמיד אל תוך התא איננה מוחלטת, פלסמידים אלו מגיעים כבר עם גן המקודד חלבון לעמידות לאנטיביוטיקה. כאשר יזרעו את החיידקים על מצע אשר מכיל אנטיביוטיקה, רק החיידקים אשר הפלסמיד נקלט בהצלחה אצלם נהפכו לעמידים לאנטיביוקטיה ורק הם נשארו על המצע. בדרך זו ניתן לקחת באופן סלקטיבי את החיידקים אשר קיבלו את הפלסמיד. אחסון פלסמידים שונים במעבדה

בחלק מהפלסמידים המהונדסים, מחדירים את המקטע הגנטי אופרון האראבינוז המגיב לנוכחות אראבינוז בצורה רציפה לפני הגן המסוים שבפלסמיד, ליצירת מקטע גנטי יחיד אשר הופך את אופרון האראבינוז לטריגר של הגן המסוים. פעולה זו מאפשרת בקרה גנטית על יצירת הגן המסוים וכך לתזמן את יצירת הגן אצל המיקרו-אורגניזם בכך שמוסיפים אראבינוז על המצא שבו שוכן המיקרו-אורגניזם עם הפלסמיד

דופן

ניתן לחלק את החיידקים על פי המאפיינים של הדופן שלהם בין אלו שיש להם דופן כפולה והם גראם שליליים לאלו שיש להם דופן אחת עבה יותר והם גרם חיוביים, שמם ניתן להם עקב הניסוי שגראם ערך בו חיידקים בעלי דופן כפולה נצבעו בפעם השניה וחיידקים בעלי דופן אחת נצבעו רק פעם אחת אותו ניסוי מתורק בסרטון הבא

חומר שמרכיב דופן ומצוי יותר בחיידקים גראם חיוביים

פפטידוגליקן

פפטידוגליקן (קרוי גם מוראין) הוא פולימר המורכב משרשרות ארוכות של רב סוכרים הקשורות ביניהן באמצעות פפטידים קצרים. פפטידוגליקן הוא המרכיב המבני העיקרי בדופן התא של חיידקים אמיתיים, והוא המקנה לו את צורתו ואת חוזקו. הפפטידוגליקן מורכב משרשרות של שני אמינו־סוכרים המופיעים לחלופין: אצטיל גלוקוזאמין (GlcNAc או NAG) ואצטיל חומצה מוראמית (MurNAc או NAM). כל אצטיל חומצה מוראמית קשור לשרשרת קצרה של 4-5 חומצות אמינו. האנזים טרנספפטידאז מקשר בין חומצות אמינו משרשרות שונות, וכך נוצר מבנה תלת ממדי חזק וקשיח. תרופות אנטיביוטיות רבות, כגון פניצילין, מפריעות להרכבת הפפטידוגליקן, ובמיוחד לפעולתו של טרנספפטידאז, ובכך פוגעות בדופן תא החיידק. מוטציות הגורמות לשינויים בטרנספפטידאז, ובעקבות זאת מפריעות לאינטראקציות בינו לבין התרופה האנטיביוטית, הן גורם משמעותי לפיתוח עמידות בפני אנטיביוטיקה.

המרווח בדופן כפולה בחיידק גראם שלילי

פריפלזמה

ניתן לראות הסרטונים את ההבדלים במבנה חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים. הבדלים בגודל החלל הפריפלזמי (תכלת) ובעובי הדופן הפפטידוגליקנית פריפלזמה (באנגלית: Periplasm) הוא חומר מרוכז המזכיר בהרכבו ג'ל ומכיל תערובת של יונים וחלבונים הנחוצים לחיידקים על מנת לבצע מגוון פעילויות מטבוליות וכן לשמור על לחץ אוסמוטי תקין. חומר זה מצוי בתוך חלל הקרוי חלל פריפלזמי (Periplasmic space) אשר "כלוא" בין קרום התא לקרום החיצוני בחיידקים גראם-שליליים ובין קרום התא לדופן הפפטידוגליקנית בחיידקים גראם-חיוביים[1][2]. גודל החלל הפריפלזמי (וכפועל יוצא גם כמות הפריפלזמה) אינו זהה בקרב חיידקים גראם-שליליים וחיוביים; גודל החלל הפריפלזמי בחיידקים גראם-שליליים גדול בהרבה מזה של חיידקים גראם-חיוביים ועלול לתפוס עד 40% מנפח התא החיידקי.

הרכב הפריפלזמה

תרשים כללי המתאר את מבנה התא החיידקי. החלל הפריפלזמי מסומן בספרה 3 הפריפלזמה מורכבת מתערובת של אנזימים, יונים וחלבונים תפקודיים אחרים שנחוצים לחיידקים על מנת לבצע מגוון פעילויות מטבוליות חיוניות. תערובת הפריפלזמה מכילה שלל אנזימים ליטיים תפקידם לבצע מטבוליזם למקרומולקולות שונות (פרוטאזות, פוספטאזות, נוקלאזות, ליפאזות, וכיוצ"ב). אנזימים נוספים שנמצאים בפריפלזמה נוטלים תפקיד בשרשרת מעבר האלקטרונים בתהליך של זרחון חמצוני, בתהליך סינתזת הדופן הפפטידוגליקנית, בשינוע מטבוליטים בין הקרום החיצוני/דופן לקרום התא (סוכרים, חומצות אמינו, ויטמינים) וכן בשמירה ועזרה בקיפול יעיל של חלבונים חיידקיים (שפרונים) בחיידקים פתוגניים מאוכסן חלק גדול מהאנזימים הליטיים (קולגנאזות, פרוטאזות, היאלורונידאזות), הטוקסינים והאנזימים שמקנים עמידות לאנטיביוטיקות (בטא לקטמאזות) בפריפלזמה

ליפופוליסכריד

ליפופוליסכרידים (באנגלית ביחיד: Lipopolysaccharide; בראשי תיבות: LPS) ליפופוליסכריד הוא מולקולה גדולה המורכבת מליפיד ופוליסכריד המחוברים ביניהם באמצעות קשר קוולנטי. הם קבוצה של תרכובות אורגניות: מולקולות LPS מהוות מרכיב חשוב בממברנה החיצונית של חיידקים גראם-שליליים, והן תורמות במיוחד לאחידות המבנית של ממברנת החיידק ומגינות על הממברנה מפני סוגים מסוימים של התקפה כימית. LPS הוא אנדוטוקסין, ומשרה תגובה חזקה מאוד ממערכות חיסון תקינות של בעלי חיים.

השוואה בין חיידקים גראם-שליליים (באנגלית: Gram-negative bacteria) לבין חיידקים גראם-חיוביים (באנגלית: Gram-positive bacteria)

זיהוי חיידקים צביעת גראם

החיידקים הם לרוב חסרי צבע ולכן קשה להבחין בינם לבין המצע. צביעתם מאפשרת להשיג ניגוד בינם לבין סביבתם. קיימות שיטות רבות ומגוונות של צביעת חיידקים. בחירה בצביעה שונה נותנת זיהוי קל של אוכלוסיית חיידקים שונה ומדגישה חלקים אחרים של התא.

צביעת גראם, למשל, היא הצביעה הנפוצה ביותר בבקטריולוגיה והיא תהליך שנועד להבדלה ראשונית בין סוגי חיידקים על סמך מבנה הדופן שלהם. צביעת גראם מבדילה בין חיידקים גראם-חיוביים לגראם-שליליים (בעלי דופן תא עבה או דקה, בהתאמה). התהליך קרוי על שם הרופא הדני הנס כריסטיאן גראם שהחל את פיתוחו. צביעת גראם אינה, כאמור, השיטה היחידה לצביעת חיידקים. שיטות נוספות בהן משתמשים על מנת לצבוע חיידקים הן: צביעה יציבת חומצה – צביעה בה משתמשים לצורך אבחנה בחיידקי הסוג Mycobacterium.

הבדלים בין חיידק גראם שלילי לחיידק גראם חיובי

סיבים של חיידקים

פילי

במיקרוביולוגיה, פִּילִי (באנגלית: יחיד – Pilus, רבים – Pili, בתרגום מלטינית: שיער[1]) הן שלוחות חלבוניות קצרות, דמויות ריסונים, הממוקמות על גבי קרום התא של חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים. שלוחות אלה, שמורכבות מחלבונים הקרויים פִּילִינִים (Pilins), קצרות במידה ניכרת מהשוטונים ומטרתם לאפשר לחיידקים להצמד אחד לשני, לרקמת תאים ולמשטחים מלאכותיים (קתטרים), לבצע תנועת גלישה-החלקה, וקוניוגציה[2][3].

על פני הפילי נמצאים קולטנים שחלקם מהווים אתרי הצמדות לבקטריופאג'ים[3]. תמונה זאת, שצולמה דרך מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, חושפת בקטריופאג'ים ממין Bacteriophage Qβ נצמדים לקולטנים על פני ה-Sex pilus של Escherichia coli

קיימים מספר סוגים של פילי שנבדלים זה מזה בהרכב חלבוני, בגודל ובתפקיד ביולוגי. להלן מספר דוגמאות לסוגי פילי שכיחים:

פילי למטרת קוניוגציה (Conjugative pili)

Conjugative pili הם פילי שתפקידם לאפשר את תהליך הקוניוגציה בין חיידקים. פילי מסוג זה נקראים לעיתים גם Sex pili, כאנלוגיה לרבייה מינית. אולם אין מדובר ברבייה מינית אמיתית כלל, שכן לחיידקים אין חלוקה לפי זוויג. Sex pili מאפשרים העברת מקטעי DNA ופלסמידים בין צמדי חיידקים שכנים (הדוגמה הטובה ביותר ל-Sex pilus הוא ה-F pilus בחיידקי Escherichia

תהליך הקוניוגציה מתרחש בין חיידקים הנושאים פלסמיד מיוחד שנקרא פלסמיד F (מהמילה האנגלית "Fertility", שפירושה "פוריות"), שמקודד מספר גנים המאפשרים את יצירת ה-Sex pilus ("חיידקים תורמים"), לבין חיידקים להם אין פלסמיד F ולפיכך אינם יכולים ליצור את ה-Sex pilus ("חיידקים מקבלים"). בתהליך הקוניוגציה נוצר מעין גשר צינורי חלול בקוטר של 2 ננומטר ובאורך של 1 מיקרומטר ולאחר שהחיידק התורם מתחבר אל החיידק המקבל, מועברים דרך ה-Sex pilus מקטעי DNA ופלסמידים אל החיידק המקבל. תהליך זה מתרחש הן בין זנים שונים של אותו מין חיידקים והן בין מינים שונים של חיידקים שכנים, ומאפשר רכישת תכונות חדשות בקרב החיידקים המקבלים]. פילי מטיפוס 4 (Type IV pili)

Type IV pili הם פילי, בקוטר של 6 ננומטר ובאורך של 4 מיקרומטר, שתפקידם להקנות לחיידקים יכולת הצמדות אחד לשני, לרקמת תאים ולמשטחים מלאכותיים ולאפשר להם מעין יכולת תנועה בסיסית שמזכירה גלישה-החלקה. תנועה זאת מתאפשרת כתוצאה מהתכווצות הפילי ובכך למשיכת התא החיידקי קדימה, בדומה למטפס הרים שמושך עצמו במעלה ההר בעזרת נעיצת גרזן קרח. ל-Type IV pili קיים תפקיד נוסף בקליטת חומר גנטי חיצוני בתהליך הקרוי טרנספורמציה. בשונה מה-Sex pili, ‏Type IV pili אינם חלולים ונמצאים בשני קטבי התא החיידקי].

בחלק מהחיידקים האנאירוביים לוקחים Type IV pili חלק פעיל בשרשרת מעבר האלקטרונים בתהליך של זרחון חמצוני. כך לדוגמה בחיידקים מהסוג Geobacter קולטי האלקטרונים הסופיים בתהליך הן מתכות, דוגמת ברזל, עליהן גדלים החיידקים. לשם העברת האלקטרונים מתוך החיידקים אל המתכות משתמשים חיידקי ה-Geobacter ב-Type IV pili בתור תילים זעירים (Nanowires). פילי כגורם אלימות

מטרת הפילי היא, כאמור, לאפשר לחיידקים יכולת הצמדות, תנועה וקוניוגציה. בחיידקים פתוגניים הצמדות אל רקמת תאים עלולה להוביל לתחלואה ולהוות שלב מקדים ביצירת ביופילם[7]. נוכחות Sex pili מהווה גורם אלימות חשוב נוסף, שכן בתהליך הקוניוגציה מועברים גנים בין חיידקים שאחדים מהם עלולים להפיץ יכולות עמידות לאנטיביוטיקות בקרב אוכלוסיות של חיידקים רגישים[5][7]. פילי מהווים אימונוגן חזק כלפי מערכת החיסון של המאכסן בכך שנוכחותם מגרה את יצירתם של נוגדנים ספציפיים כנגד מרכיביהם החלבוניים. על מנת להלחם בתופעה, מחליפים החיידקים את ההרכב הביוכימי של הפילי ובכך מקשים על פעילות מערכת החיסון במיגורם, מפני שהנוגדנים שנוצרו כנגד מרכיבי הפילי הקודמים אינם יעילים לנטרול חיידקים שהחליפו זה עתה את הרכב הפילי שלהם[8]. לעיתים חל בלבול בין המונחים פימבריה ופילי, עד כדי כך שיש הרואים בהם מונחים בקטריולוגיים נרדפים. אולם, למעשה, מדובר בשני מונחים נפרדים המתארים צורות שונות של מבנים ריסוניים-זיפוניים להם הרכב ותפקידים שונים[9]: הפימבריה קצרים ודקים בצורה משמעותית מהפילי. הרכב החלבונים של הפילי אינו זהה לזה של הפימבריה.

מספר הפימבריה על גבי החיידקים עלול להגיע לכדי 300-400, לעומת 3-5 פילי. תפקיד הפימבריה הוא לאפשר הצמדות של חיידקים, בעוד שתפקידי הפילי מגוונים ותלויים בסוג הפִּילוּס (הצמדות, תנועת גלישה-החלקה, קוניוגציה).

ביופילם

ביופילם (מאנגלית: Biofilm) הוא קבוצה של תאים שנדבקים אחד אל השני על משטח כלשהו. תאים אלה נמצאים בדרך כלל בתוך חומר חוץ-תאי הנקרא חומר חוץ-תאי פולימרי (extracellular polymeric substance). החומר החוץ תאי הפולימרי הוא תערובת של חומרים חוץ תאיים שמורכבים מחלבונים, DNA ורב-סוכרים. ביופילם יכול להיווצר על משטחים חיים (כמו הלשון) או דוממים וניתן למצוא אותם כמעט בכל מקום כמו בתי חולים, מפעלים, דופן ספינות, צינורות נפט ואף בגוף האדם.[1][2] תאי הביופילם שונים פיזיולוגית מתאים פלנקטוניים מאותו האורגניזם. מיקרואורגניזמים יוצרים ביופילם בתגובה לגורמים רבים כמו המשטח שעליהם הם נמצאים, כמות המזון בסביבה או במקרים מסוימים אפילו חשיפת תאים פלנקטוניים למינונים נמוכים של אנטיביוטיקה.[3][4] כאשר תא עובר למצב הביופילם, הוא עובר שינויים בביטוי הפיזי של חלק גדול מהגנים שלו (שינוי פנוטיפי) כך שהם מבוקרים גנטית בצורה שונה.

https://www.youtube.com/watch?v=ZYG5LzgQ-s8

סגרגציה של חיידקים

מאפייני החיידקים על פי יכולתם להסתגל לתנאים שונים.

הסתגלות היא היכולת לשמר את המבנה ואת הפעילות של אנזימים אשר פועלים באותם התנאים. משטח תרבית מאפשר לדעת אם החיידק מותאם לתנאים מסוימים או לא.

מגוון ועמידות

חיידקים מסוג Salmonella חודרים לתוך תא אנושי בהדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים

חיידקי E. coli החיידקים, שמספרם על-גבי כדור הארץ עולה על זה של כל שאר היצורים גם יחד, הם יצורים מגוונים וסתגלנים במידה בלתי רגילה:

פסיכרופילים – חיידקים אוהבי קור. משגשגים בטמפרטורות של 8–18 מעלות ורובם עמידים לקיפאון. נמצאו חיידקים פסיכרופילים בעצמות לווייתנאים ששרדו 20 שנים אחרי מות הלויתן וניזונו משומנים שציפו את העצמות. פסיכרופילים עשירים באנזימים מפרקי שומן.

מזופילים – חיידקים המשגשגים בטמפרטורת גוף האדם. רוב חיידקי המחמצת המשמשים להפקת תוצרת חלב הם מזופילים.

שני סוגים אלה כוללים את רוב אוכלוסיית החיידקים, אולם יש מגוון דרכי הסתגלות נוספות: תרמופילים – חיידקים חובבי חום אשר חיים בטמפרטורות גבוהות. תרמופילים נמצאו משגשגים בטמפרטורות גבוהות מאוד במקומות דוגמת מעיינות מים חמים או בזרמים תת-ימיים חמים.

היפרתרמופילים – חיידקים חובבי טמפרטורות גבוהות במיוחד. חלק מהמינים התרמופילים מתרבים בצורה אידיאלית מעל 100 מעלות צלזיוס, ויכולים לשרוד בטמפרטורה של עד 121 מעלות צלזיוס.

מתנוטרופים – חיידקים המשתמשים במתאן כמקור לאנרגיה. חיידקים אלה ניתן לנצל בהפיכת מתאן למתנול. חלקם יכולים גם לפרק כלור.

הלופילים – חיידקים חובבי ריכוז מלחים גבוה.

אוסמופילים – חיידקים הגדלים בסביבה בה הלחץ האוסמוטי גבוה, למשל בריכוזי סוכר גבוהים.

קסרופילים – חיידקים הגדלים בסביבה דלת מים עד כדי יובש קיצוני.

אקסטרמופילים – בעברית חיידקים קיצונאים. מונח המתאר מיני חיידקים המסוגלים לשרוד בתנאים קשים במיוחד (חום גבוה, קור, חומציות רבה, חשיפה לקרינה (דוגמת ה-Deinococcus radiodurans), תנאי לחץ קשים ועוד.

דרישות תזונתיות של חיידקים

חילוף חומרים

כל החיידקים זקוקים לאנרגיה לצורך קיומם. לפיכך ניתן למיין בצורה גסה את החיידקים ל-2 קבוצות: חיידקים פוטו-טרופים – מקבלים אנרגיה מהשמש בתהליך הדומה לפוטוסינתזה. חיידקים כימו-טרופים – מקור האנרגיה הוא תגובה כימית עם חומר אורגני או אנאורגני. כל החיידקים זקוקים למקור פחמן. החיידקים יכולים להשיגו ב-2 דרכים: אוטוטרופיות – השגת מקור הפחמן מפחמן דו-חמצני או ממקור אי-אורגני אחר. הטרוטרופיות – השגת מקור הפחמן מפירוק אורגניים.

את החיידקים ניתן לסווג גם לפי אופן קיומם בנוכחות חמצן: חיידקים אירוביים – חיידקים שמסוגלים או מוכרחים להתקיים בנוכחות של חמצן. חיידקים אלה מתחלקים ל-3 קבוצות: אווירניים אובליגטוריים – חיידקים שמסוגלים להתקיים בריכוז חמצן אטמוספירי בלבד. מיקרואירופילים – חיידקים שזקוקים לחמצן על מנת להתקיים אך בריכוזים נמוכים בהרבה מהרגיל; ריכוזים גבוהים של חמצן עלולים להרגם. אווירניים פקולטטיביים – ראו אל-אווירניים פקולטטיביים בהמשך.

חיידקים אנאירוביים – חיידקים שמסוגלים או מוכרחים לחיות בהיעדר חמצן חופשי. חיידקים אלה מתחלקים ל-3 קבוצות: אל-אווירניים אובליגטוריים – חיידקים שלא מסוגלים להתקיים בנוכחות חמצן כלל. אל-אווירניים פקולטטיביים (או אווירניים פקולטטיביים) – חיידקים שמסוגלים לחיות בנוכחות חמצן ולנצלו לצרכיהם המטבוליים (מפיקים אנרגיה בעזרת חמצן כשהוא בנמצא, כאשר החמצן משמש כמקבל אלקטרונים סופי) אך גם בהיעדרו, בסביבות אל-אווירניות, הם מסוגלים להפיק אנרגיה בדרכים אחרות (למשל על ידי שימוש בסולפט, או בניטראט, כמקבלי אלקטרונים סופיים). סובלי אוויר – חיידקים שאינם זקוקים לחמצן על מנת להתקיים, אולם בשונה מן האל-אווירניים האובליגטוריים אינם נפגעים מנוכחותו.

ספירת חיידקים

עקומת גידול של בקטריות

שלבים בגידול מבוקר של אוכלוסיית חיידקים

תרשים גידול של מספר החיידקים (לוגריתם) כנגד הזמן

שלב ההשהיה – החיידקים מתרבית המזרע מסתגלים למצע ומייצרים חומרים (וביניהם מטבוליטים ראשוניים, אנזימים וכדומה) המכינים אותם לרבייה מהירה.

השלב המעריכי – או שלב הגידול האקספוננציאלי Exponential growth phase. שלב שבו כל החיידקים באוכלוסייה מתחלקים בקצב מרבי ביחס לתנאים בהם הם מצויים. כאשר התאים נכנסים לשלב הזה כל המנגנונים מותאמים לגידול ולהכפלה ובשלב הזה חל גידול מאוזן, עליה הדרגתית בקצב שווה של כל מרכיבי התא: חלבונים, RNA, ‏DNA וכיוצ"ב, המוביל לחלוקת התא לשניים. מתא אחד יתקבלו שניים, משני תאים יתקבלו ארבעה וכו'. גידול זה הוא גידול אקספוננציאלי (מעריכי). בשלב זה ניתן למדוד את זמן הדור וקצב הגידול. זמן הגידול המעריכי מותנה בתנאי הסביבה.

שלב העמידה – עקב צפיפות האוכלוסייה, ירידה בחומרי המצע והפרשת חומרי לוואי, אוכלוסיית החיידקים עוברת למצב סטטי. בנוסף האוכלוסייה מצויה במצב עקה, ומפרישה מטבוליטים משניים לסביבה. מספר החיידקים לא משתנה מפני שהם נכנסים למצב עקה, בו מתבטאים גנים המעורבים בתיקון DNA, מטבוליזם אנטי-אוקסידנטי ומעבר של נוטריינטים[1].

שלב התמותה – מפאת חוסר מתמשך של חומרי המצע והצטברות של חומרי לוואי, אוכלוסיית החיידקים מצויה בגידול שלילי מתמשך. לעיתים החיידקים המתים מתפרקים כתוצאה מנוכחות אנזימים פרוטאוליטיים.

השפעת קרינה על חיידקים

חסינות בקרינת UV תלויה במנגנונים לתיקון הDNA

השפעת לחץ אוסטמוטי

הסתגלות לרמות שונות של חמצן

זיהוי באמצעות מבחנות מצע נוזלי של חיידקים אווירניים ואל-אווירניים: 1 – חיידקים אווירניים אובליגטוריים, 2 – חיידקים אל-אווירניים אובליגטוריים, 3 – חיידקים אל-אווירניים פקולטטיביים, 4 – מיקרואירופילים, 5 – חיידקים אל-אווירניים סובלי אוויר

השפעת חומציות

תהליך הנביגה

https://en.wikipedia.org/wiki/Endospore#Reactivation

פיסטור

עיקור

חיידקים אוהבי חום

מחלות זיהומיות שלבים

סיווג מחלות זיהומיות

מעבר חיידקים בין מדורים בגוף למקומות שאינם המקום הטבעי

החיידקים והאדם

רק מיעוט מתוך מאות אלפי סוגי החיידקים הם פתוגנים הגורמים למחלות. סוגים רבים של חיידקים אף מועילים או חיוניים לאדם ולבריאותו.

שימוש בחיידקים כדוגמת ה-Lactobacillus לצד שמרים ועובשים משמש את האדם בהכנת מזונות שונים כדוגמת גבינות, חמוצים, חומץ, יין ויוגורט. בהקשר למוצרים אלה, החיידקים הם אלו הגורמים פעמים רבות את הריח הרע הנובע מהם. גם במחלות ובתופעות המלוות בחיידקים נלווה ריח לא נעים, לדוגמה בתופעת אבני שקדים (טונסילוליטים). יכולתם של חיידקים לצרוך מגוון רחב של תרכובות מנוצלת על ידי האדם למען שמירת הסביבה כדוגמת פירוק שפכים, או שימוש בחיידקים הצורכים פחמימנים בנפט לטיפול בהתבקעות מכליות נפט. שימוש נוסף בחיידקים לטובת האדם הוא בהדברה ביולוגית במזיקים, ודוגמה בולטת לכך הוא חיידק מהמין Bacillus thuringiensis הפוגע במיני זחלים שונים של יתושים. זמן הדור הקצר של החיידקים, המאפשר גידול מהיר באוכלוסייה, וכן היכולת לבצע שינויים גנטיים בצורה פשוטה יחסית בחיידקים הפכו אותם ככלי חשוב בהנדסה גנטית. באמצעות הנדסה גנטית גורמים לחיידקים לייצר חלבונים מבוקשים, למשל ייצור אינסולין על ידי חיידקים במקום להפיק אותו מבלוטת הלבלב של בעלי חיים.

לאבחן בין מחלה וירלית למחלה חיידקית

חדירת חיידקים והיצמדות

רעילות חיידקים

אנדוטוקסין

אנדוטוקסין (באנגלית: Endotoxin) הוא רעלן הנמצא בממברנה של חיידקים מסוימים. בניגוד לאקסוטוקסין הוא אינו מופרש החוצה על ידי החיידק אלא כאשר החיידק עובר פירוק ליטי. אב הטיפוס של האנדוטוקסינים הוא הליפופוליסכריד (LPS) הנמצא בקרום חיצוני של חלק מחיידקים גראם-שליליים. בחיידקים בהם הוא נמצא, LPS הוא הגורם העיקרי לתגובת החום והמחלה של האדם המודבק בהם. כמויות גדולות של אנדוטוקסין משוחררות במקרה שהחיידק הגראם-שלילי מושמד

אנטיביוטיקה

עמידות לאנטיביוטיקה

יותר ויותר חיידקים מפתחים עמידות לפניצילין ולשאר סוגי האנטיביוטיקה. האנטיביוטיקה עצמה היא מוצר חדש יחסית שקיימת בשימוש מסחרי מתקופת מלחמת העולם השנייה והפכה לנפוצה רק בשנות ה-50. האנטיביוטיקה פועלת על חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים תוך ניצול תכונות דופן תא החיידק כך שתאים אחרים (תאי האדם) לא ייפגעו. כבר בשנות ה-60 התברר כי זנים מסוימים של חיידקים פיתחו עמידות כלפי האנטיביוטיקה (בייחוד כלפי הפנצילין) והיה צורך לפתח סוגים חזקים יותר של אנטיביוטיקה על מנת להתמודד עם חיידקים אלו. חיידק ה-MRSA מוכר החל משנת 1996 כ"חיידק בתי החולים". חיידק זה עלול להיות עמיד בפני כל סוגי האנטיביוטיקה הידועים, ובכך מאיים על כל המאושפזים בבתי החולים. סכנתו כפולה היות שהוא תוקף את החולה במצב בו מערכות ההגנה הרגילות שלו אינן פועלות כראוי. מיני החיידק Pseudomonas, דוגמת Pseudomonas aeruginosa נפוץ כגורם זיהומים אצל מדוכאי מערכת החיסון ובבתי חולים ואף הוא פיתח עמידות נגד רוב סוגי האנטיביוטיקה הקיימים. חיידקים עמידים במיוחד מטופלים באמצעות ליפופפטידים, אך ב-2007 נמצאו חיידקים שפיתחו עמידות גם לטיפול זה. בחודש מרץ 2007 התפרסמו ידיעות על תמותה של חולים המאושפזים בבתי חולים בישראל בגלל התפרצות החיידק האלים Klebsiella pneumoniae.