Socjomikrobiologia Ewolucyjna

Socjomikrobiologia Ewolucyjna
Dominika Włoch-Salamon Zespół Genetyki Ewolucyjnej INoŚ UJ

Zachowania socjalne Photo by Z-Y. Huang. Photo: flickr/derekkeats Foto: D.W-S Kiedy myślimy o zachowaniach społecznych, większość z nas pomyśli, zwierząt, takich jak mrówki, małpy, lwy czy wręcz ludzi. Ale chciałbym, aby przekonać się już dziś, że nie należy wykluczyć mikroorganizmów, czyli orgnizmó jednokomórkowych których styl życia powoduje że mogą być trkatowane podobnie jeak organizmy wielokomórkowe. . Mikrobiolodzy szybko zyskują lepsze zrozumienie molekularnych mechanizmów zaangażowanych w tych zachowań i podstawowe regulacje genetycznej. Niektóre przykłady to postaram się zaprezentować dzisiaj.

Co jest czym: Definicje
socjalne: - żywe organizmy - interakcje z innymi organizmami - zbiorowe współistnienie, niezależnie od ich świadomości i dobrowolności zachowanie: - działanie podejmowane przez organizmy, systemy lub podmiotów sztuczne - w związku z otoczeniem, - w odpowiedzi na różne bodźce (zewnętrze, wewnętrzne) - niezależne od świadomości i dobrowolności Mimo, że może nie być konieczne dla większości z was wszystkich, chciałbym zdefiniować, znaczenie terminu „zachowania społeczne” socjalne: dotyczy cech organizmów żywych w zastosowaniu do populacji ludzi i zwierząt. Zawsze odnosi się do interakcji organizmów z innymi organizmami i ich wspólny współistnienia, niezależnie od tego, czy jesteśmy tego świadomi, czy nie, i niezależnie od tego, czy interakcja jest dobrowolne lub przymusowe. Zachowanie - działania podejmowane przez organizmy, systemów lub sztucznych podmiotów w związku z ich środowiska, która obejmuje inne systemy lub organizmy w obrębie, jak i otoczeniu fizycznym. To jest odpowiedź układu lub organizmu na różne bodźce lub środków, czy wewnętrzne lub zewnętrzne, świadome lub podświadome, jawnej lub ukrytej, a dobrowolne lub przymusowe.

Therefore, we introduce the term ‘sociomicrobiology’.”
„Bacteria exhibit many social activities and they represent a model for dissecting social behavior at the genetic level. Therefore, we introduce the term ‘sociomicrobiology’.” Termin „socjomikrobiologia” został wprowadzony przez Methew Parseka i Petera Greenberga i dotyczył zachowań grupowych mikroorganizmów

Socjomikrobiologia – nowa nauka
Podejście mikrobiologów: wyjaśnienia proksymatywne - odkrywanie genetycznych i molekularnych podstaw zachowań mikroorganizmów rozróżnienie między wpływem środowiska a determinacją genetyczną zachowań mikroorganizmów Podejście biologów ewolucyjnych: wyjaśnienia ultymatywne Jakie jest wpływ zachowań na przeżycie i dostosowanie organizmu? Wyjaśnienie: teoria ewolucji Darwina, teoria doboru krewniaczego, równanie Hamiltona MEDOTY KOMPLEMENTARNE i pomagają w lepszym całościowym zrozumieniu obserwowanych zjawisk Istnieje rosnąca świadomość, że mikroorganizmy mogą się komunikować i współpracują wykonać szeroki zakres zachowań wielokomórkowych, takich jak rozproszenie, żerowania, biofilm forma-cja, "Chemical Warfare" i kworum sensing1- Mikroorganizmy są szczegól-przydatne do rozwiązania tego problemu, bo z możliwości, które oferują do manipulacji genetycznej i ewolucji eksperymentalnej. czyli system łączności miedzy komórkami która umożliwia, wyczuwanie lokalnego zagęszczenia i odpowiedniej regulacji ekspresji specyficznych genów w odpowiedzi na wyczuwane zagęszczenie

Socjomikrobiologia – nowa nauka
wykrywania kworum (ang. quorum sensing) tworzenie biofilmu rozprzestrzenianie, (ang. dispersal) żerowanie i inne formy pozyskiwanie pożywienia wojna chemiczna – synteza toksyn pomoc w odkrywaniu nowych terapii anty - bakteryjnych i anty grzybiczych; zrozumienie zasad zachowań socjalnych; podstawa do badań biologii syntetycznej Istnieje rosnąca świadomość, że mikroorganizmy mogą się komunikować i współpracują wykonać szeroki zakres zachowań wielokomórkowych, takich jak rozproszenie, żerowania, biofilm forma-cja, "Chemical Warfare" i kworum sensing1- Mikroorganizmy są szczegól-przydatne do rozwiązania tego problemu, bo z możliwości, które oferują do manipulacji genetycznej i ewolucji eksperymentalnej. czyli system łączności miedzy komórkami która umożliwia, wyczuwanie lokalnego zagęszczenia i odpowiedniej regulacji ekspresji specyficznych genów w odpowiedzi na wyczuwane zagęszczenie E.coli P.aeruginosa D.discoideum S.cerevisiae

Socjomikrobiologia Ewolucyjna
Dlaczego drobnoustroje - tworzą formy „wielokomórkowe”? - angażują się w zachowania gdzie współpracujące jednostki (obniżające swoje dostosowanie) mogą zostać wykorzystane przez oszustów (egoistów) którzy czerpią korzyści z współpracy bez „płacenia” kosztów? Ewolucyjny aspekt socjomikrobiologii skupiony jest na wyjasnieniu w ramach teorii ewolucji Darwina, doboru krewniaczego i równiania Hamiltona dlaczego jednokomórkowe organizmy tworzą złożone struktury (podobne do form wielokomórkowych) ? (jaki jest powód zającie jedengo z tzw. Wielkich zmian ewolucyjnych - przełomy ewolucji…powstanie wielokomórkowości!) Dlacego anagazuja się w zachowania któe obniżają ich bezpośrednie dostosowanie (liczone liczba wydanego potomstwa? - czyli tempeem wzrostu ..) E.coli P.aeruginosa D.discoideum S.cerevisiae

PLAN dalszej części wykładu:
Wady i zalety mikroorganizmów wykorzystywane w badaniach zachowań socjalnych Podział zachowań socjalnych Przykłady zachowań socjalnych mikroorganizmów: wyczuwanie kworum – (ang.quorum sensing) biofilmy produkcja „dobr publicznych” geny „zielonej brody” produkcja toksyn apoptoza - programowana śmierć jednokomórkowców There is a growing awareness that microorganisms communicate and cooperate to perform a wide range of multicellular behaviours, such as dispersal, foraging, biofilm forma-tion, ‘chemical warfare’ and quorum sensing1– Microorganisms are particu-larly useful for addressing this problem because of the opportunities that they offer for genetic manipulation and experimental evolution16.

Cechy mikroorganizmów
Niewielkie rozmiary (bakterie, drożdże, ameby) Duże zagęszczenie populacji Krótki cykl życiowy (szybkie tempo podziałów) Określone wymagania środowiskowe Możliwość długotrwałego przechowywania w stanie braku aktywności metabolicznej Bakterie - 0,2 do kilkudziesięciu mikrometrów (μm). Drozdze – 5-8 um Stan stacjonerny 10 9teh bakterie 10 do 8-mej drożdzy

Cechy mikroorganizmów
Zsekwencjonowane fragmenty a często również całe genomy Możliwość stworzenia mutantów (delecje genów) nie wykazujących potencjalnie socjalnej cechy Bakterie - 0,2 do kilkudziesięciu mikrometrów (μm). Drozdze – 5-8 um Stan stacjonerny 10 9teh bakterie 10 do 8-mej drożdzy

Teoria doboru krewniaczego
Równanie Hamiltona c/b < r rb – c > 0 c – straty w dostosowaniu osobnika działającego altruistycznie, b – zyski w dostosowaniu krewniaka, r – współczynnik pokrewieństwa miedzy osobnikami (Hamilton, 1964). Kin selection Kin selection theory provides an explanation for altru-istic cooperation between relatives 10. By helping a close relative to reproduce, an individual is still passing on its own genes to the next generation, albeit indirectly. This theory is encapsulated in a pleasingly simple form by Hamilton’s rule10,25, which states that altruism is favoured when rb – c > 0; where c is the fitness cost to the altruist, b is the fitness benefit to the beneficiary and r is their genetic relatedness (see Supplementary information S1 (box)). This predicts that greater levels of altruistic cooperation are expected when r or b is high and c is low (FIG. 2a). wybór Kin Teoria doboru krewniaczego stanowi wyjaśnienie Altru-istic współpracy między krewnymi. Pomagając bliskiego krewnego do reprodukcji, osoba jest nadal przekazywanie swoich genów następnemu pokoleniu, choć pośrednio. Teoria ta jest zawarta w przyjemnie prostej formie przez rule Hamiltona, który stanowi, że altruizm jest korzystny, gdy rb - c> 0, gdzie c jest koszt w dostosowaniu altruisty, b jest zysk w dostosowaniu krewniaka i r jest współczynnikiem pokrewieństwo genetyczne. Teoria doboru krewniaczego przewiduje, że oczekiwane są większe poziomy współpracy altruistycznej gdy r lub b są wysoki a c niski (fig. 2a). Wykład prof. Woyciechowskiego

Dostosowanie (ang. fitness) – Pamiętajmy że:
Dostosowanie bezpośrednie - dostosowanie uzyskane dzięki własnej reprodukcji. Dostosowanie pośrednie (indirect fitness) –dostosowanie, które wzrosło u naszego krewnego dzięki naszemu wsparciu pomnożone przez współczynnik pokrewieństwa z krewnym. Dostosowanie całkowite/łączne = dostosowanie bezpośrednie + dostosowania pośrednie Organizmy biorące udział w zachowaniach społecznych można podzielić na podmiot, który faktycznie coś robi: aktor i odbiorcę, który czuje wyniki tej akcji. Zachowania społeczne konsekwencje dla obu z nich aktor i odbiorcy. Zachowanie, które zwiększa bezpośrednie dostosowanie aktora jest korzystna dla obu stron, jeżeli odbiorca korzysta również, i samolubny, jeżeli odbiorca poniesie stratę. Zachowanie, które zmniejsza sprawność aktora to altruista, jeżeli odbiorca świadczenia, a złośliwi jeśli odbiorca poniesie stratę. Łatwo jest sprawdzić, jak dobór naturalny faworyzuje wzajemnie korzystnej lub samolubne zachowanie, natomiast altruizm i złość są trudniejsze do wyjaśnienia. Dostosowanie - w każdym przypadku, że opisuje zarówno zdolność przeżycia i odtwarzania, Koszty i korzyści są definiowane jako sukces reprodukcyjny (zwiększone dostosowanie całkowite) biologicznej jednostki (również pojedynczej komórki) 12

Podział zachowań socjalnych (wg.Hamiltona)
Koszty i korzyści są definiowane jako sukces reprodukcyjny (zwiększone dostosowanie całkowite) biologicznej jednostki (również pojedynczej komórki) = zachowania klasyfikowane na podstawie ich wpływu na całkowity sukces reprodukcyjny (dostosowanie całkowite) West, et al złośliwość altruizm negatywny- samolubne mutualizm pozytywny+ wpływ na aktora negatywny - pozytywny + wpływ na odbiorcę Organizmy biorące udział w zachowaniach społecznych można podzielić na podmiot, który faktycznie coś robi: aktor i odbiorcę, który czuje się wyniki tej akcji. Zachowania społeczne konsekwencje dla obu z nich aktor i odbiorcy. Zachowanie, które zwiększa bezpośrednie dostosowanie aktora jest korzystna dla obu stron, jeżeli odbiorca korzysta również, i samolubny, jeżeli odbiorca poniesie stratę.Zachowanie, które zmniejsza sprawność aktora to altruista, jeżeli odbiorca świadczenia, a złośliwi jeśli odbiorca poniesie stratę. Łatwo jest sprawdzić, jak dobór naturalny faworyzuje wzajemnie korzystnej lub samolubne zachowanie, natomiast altruizm i złość są trudniejsze do wyjaśnienia. Dostosowanie - w każdym przypadku, że opisuje zarówno zdolność przeżycia i odtwarzania, 13

Podział zachowań socjalnych (wg.Hamiltona)
kooperacja/ współpraca + złośliwość altruizm negatywny- samolubne mutualizm pozytywny+ wpływ na aktora negatywny - pozytywny + wpływ na odbiorcę West, et al Pojęcie "współpraca" odnosi się do zachowań, które zwiększa sprawność odbiorcy - współpraca może więc być korzystne dla obu stron czy altruistyczne, w zależności od wpływu na aktora. W tej prezentacji zachowań byłyby klasyfikowane w zależności od ich wpływu na całokształt sukcesu reprodukcyjnego całkowitej biologicznej jednostki nie populacji lub grupy! Ponieważ jest to jeden organizm, który jest przedmiotem Darwninian selekcji. 14

mutualizm/wzajemna korzyść
WSPÓŁPRACA mutualizm/wzajemna korzyść altruizm -zachowania zmniejszające bezpośrednie dostosowanie aktora. („dobra publiczne”) -mogą być wyjaśnione, jeśli współpraca jest skierowany do osobników, mających wspólne geny, czyli przez wzrost dostosowania pośredniego (kin selection lub rzadkie geny „zielonej brody”) Równanie Hamiltona zachowania prowadzące do zysków (tj. wzrostu w dostosowaniu bezpośrednim osobników biorących udział w zachowaniu przewyższające poniesione koszty 1. wspólny interes we współpracy 2. represja konkurencji - istnieje mechanizm egzekwowania współpracy lub usunięcie przewagi oszustów. 15

Warunki ewolucji doboru krewniaczego
Why to die? Warunki ewolucji doboru krewniaczego r x b > c Równanie Hamiltona: > korzyści - wzrost dostosowania (mierzonej jako liczba kopii genu przekazywane z pokolenia na pokolenie. koszty > Pokrewieństwo pomiędzy aktorem a losowym członkiem populacji Pokrewieństwo pomiędzy aktorem i odbiorcą Hamitlon’s rule: Formally, such genes should increase in frequency when where r = the genetic relatedness of the recipient to the actor, often defined as the probability that a gene picked randomly from each at the same locus is identical by descent. B = the additional reproductive benefit gained by the recipient of the altruistic act, C = the reproductive cost to the individual of performing the act. This inequality is known as Hamilton's rule after W. D. Hamilton who published, in 1964, the first formal quantitative treatment of kin selection to deal with the evolution of apparently altruistic acts. Benefits – increase of fitness (indirect benefits measured fe. as a self gene copy number transferred to the next generation has to be higher than Costs (in this case he higest - a death of the indyvidual) For any altruistic behavior to evolve via kin selection, it is not the average genetic similarity of the population that is important. Rather, what is important is the relatedness between an actor and a recipient compared to the relatedness between an actor and a random member of the population (e.g.,Grafen2006). Consequently,the population-wide average genetic similarity is meaningless in the absence of mechanisms or conditions that can promote “non random associations between genotypes(assortment)”(Hamilton1971). And also: 16

1. Ograniczone rozproszenie (lepkość populacji)
Why to die? Warunki ewolucji doboru krewniaczego r x b > c Równanie Hamiltona: > korzyści - wzrost dostosowania (mierzonej jako własny liczba kopii genu przekazywane z pokolenia na pokolenie. koszty > Pokrewieństwo pomiędzy aktorem a losowym członkiem populacji Pokrewieństwo pomiędzy aktorem i odbiorcą Hamitlon’s rule: Formally, such genes should increase in frequency when where r = the genetic relatedness of the recipient to the actor, often defined as the probability that a gene picked randomly from each at the same locus is identical by descent. B = the additional reproductive benefit gained by the recipient of the altruistic act, C = the reproductive cost to the individual of performing the act. This inequality is known as Hamilton's rule after W. D. Hamilton who published, in 1964, the first formal quantitative treatment of kin selection to deal with the evolution of apparently altruistic acts. Benefits – increase of fitness (indirect benefits measured fe. as a self gene copy number transferred to the next generation has to be higher than Costs (in this case he higest - a death of the indyvidual) For any altruistic behavior to evolve via kin selection, it is not the average genetic similarity of the population that is important. Rather, what is important is the relatedness between an actor and a recipient compared to the relatedness between an actor and a random member of the population (e.g.,Grafen2006). Consequently,the population-wide average genetic similarity is meaningless in the absence of mechanisms or conditions that can promote “non random associations between genotypes(assortment)”(Hamilton1971). And also: 1. Ograniczone rozproszenie (lepkość populacji) 2. Rozróżnienie krewnych lub osobników mających wspólne geny („zielona broda”) 17

Zalety mikroorganizmów w badaniach zachowań socjalnych Przypomnienie podziału zachowań socjalnych Przykłady zachowań socjalnych mikroorganizmów: Biofilmy Wyczuwanie kworum – (ang.quorum sensing) „Dobra publiczne” Geny „zielonej brody” Produkcja toksyn Apoptoza - programowana śmierć jednokomórkowców There is a growing awareness that microorganisms communicate and cooperate to perform a wide range of multicellular behaviours, such as dispersal, foraging, biofilm forma-tion, ‘chemical warfare’ and quorum sensing1– Microorganisms are particu-larly useful for addressing this problem because of the opportunities that they offer for genetic manipulation and experimental evolution16.

Kiedy wszyscy pracują na wspólne dobro….
Sytuacja zrozumiała …..łatwa do wyjasnienia ewolcyjnie!

Co to jest biofilm? Biofilm to
- społeczność mikroorganizmów (bakterii, drożdży, ameb, pierwotniaków) - utworzone na twardej powierzchni (zwykle na granicy faz), - zewnątrz otoczone wydzielaną śliską otoczką (polisacharydowa matriks) Biofilmy tworzone są jako odpowiedź na stres związany z niekorzystnym środowiskiem (np. obrona gospodarza, obecność antybiotyków) Śliskie kamienie….czyszczenie akwarium itp…..nalot na zębach… brrrrr 90% bakterii żyje jako biofilmy!!!!1

Co to jest biofilm? (a) Early-stage Pseudomonas aeruginosa
biofilm containing two strains, one labeled with cyan fluorescent protein and the other with yellow fluorescent protein. Śliskie kamienie….czyszczenie akwarium itp…..nalot na zębach… brrrrr 90% bakterii żyje jako biofilmy!!!!1 Over 500+ biofilm species colonize the human mouth, causing tooth decay and gum disease. This image was taken by a scanning electron microscope. Source: University of Wisconsin-Madison, Department of Bacteriology

Jak powstaje biofilm? Znaczenie kworum
Wielogatunkowe biofilmy – przykład wzajemnej współpracy (mutualizm) kiedy substancje produkowane, przez jedne organizmy (np. resztki ang. by-products) stanowią pożywienie dla innych które z kolei produkują inne substancje….(wzajemność używania produktów resztkowych) Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi

Badania wczesnych kolonizatorów (ludzkich zębów i błony śluzowej jamy ustnej ) Streptococcus oralis i Actinomyces naeslundii sugerują że współpraca tych gatunków pozwala im rosnąć a nie mogą one przetrwać osobno. Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi

Wyczuwanie kworum – zdolność mikroorganizmów do oceny liczebności populacji i odpowiednia do liczebności regulacja zachowania…synchronicznie!!!! Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi

Cykl: Wzrost pojedynczych komórek (emisja sygnału) – nagromadzenie sygnałów –synchronicznazmiana ekspresji genów (jedna zatrzymane inne wzmocnione) – synchroniczna produkcja nowych cząstek (np.matrix lub toksyn) – część pojedynczych komórek może się oderwać … i cykl zaczyna się od początku…. Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi

Znaczenie kworum Lub …Przykład Vibrio fischeri …
Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi Bonnie Bassler is a professor of molecular biology at Princeton University.

Znaczenie kworum Odczuwanie kworum i synchroniczne reakcja jest niezwykle częste wśród bakterii… Wirulencja Bakterie wyczuwają jak dużo ich jest i wtedy staja się wirulentne…. Zablokowanie odczuwania kworum = nowy antybiotyk? Environmental stress induces planktonic bacteria (blue) to form a biofilm. In the model system of P. aeruginosa challenged with tobramycin, the aminoglycoside antibiotic is the stress. Of the cells induced to produce biofilm (green), a subpopulation (purple) develops tolerance of chemical challenges by virtue of physiological differentiation and/or the altered microenvironment. In P. aeruginosa, arr is required to respond to low levels of tobramycin. The ndvB gene product contributes to the protection of cells. Bob Crimi

WSPÓŁPRACA mutualizm/wzajemna korzyść altruizm -zachowania zmniejszające bezpośrednie dostosowanie aktora. („dobra publiczne”) -mogą być wyjaśnione, jeśli współpraca jest skierowany do osobników, mających wspólne geny, czyli przez wzrost dostosowania pośredniego (kin selection lub rzadkie geny „zielonej brody”) Równanie Hamiltona zachowania prowadzące do zysków (tj. wzrostu w dostosowaniu bezpośrednim osobników biorących udział w zachowaniu przewyższające poniesione koszty 1. wspólny interes we współpracy biofilmy/odczuwanie kworum 28

Ale może być też inaczej…..jeden pracuje …a oszust też korzysta

dobra publiczne Dobra publiczne są to produkty, które są kosztowne dla jednostki do produkcji, ale które zapewniają korzyści dla osobników w grupie lokalnej lub populacji producent Tego rodzaju mechanizm może być niezwykle istotne w tak bezpłciowe reprodukcji mikroorganizmów oznacza pojedyncze komórki kolonizacji i rozwoju w okolicy. W tym przypadku, osoby oddziałujące na małym obszarze będzie genetycznej, odpowiada r = 1, które mogą oddziaływać w kierunku rozwoju współpracy. Ta forma kin wyboru, obejmujące ograniczoną roznoszeniu, sugerowano się być ważne dla produkcji publiczności goods28, 34,55. oszust

dobra publiczne - siderofory
Siderofor (gr. nośnik jonów) – to związek chemiczny chelatujący jony żelaza, wydzielany przez niektóre mikroorganizmy. Jony Fe3+ mają bardzo małą rozpuszczalność w związku z czym nie mogą one być pobierane ze środowiska i wykorzystywane przez organizmy w sposób bezpośredni. Wydzielenie do środowiska sideroforów wiąże takie jony Fe3+ w kompleksy, które następnie mogą być pobrane do organizmu za pomocą mechanizmów transportu aktywnego The iron-scavenging molecules produced by many bacteria, called siderophores, are a good example, as demonstrated by experiments with Pseudomonas aeruginosa. Siderophore production is beneficial when iron is limiting, as shown by the fact that wild-type strains that produce siderophores grow faster than mutant strains that do not.

dobra publiczne - siderofory
ferrichrom – Ustilago sphaerogena, enterobaktyna – Escherichia coli, bacillobaktyna – Bacillus subtilis, ferryoksamina B – Streptomyces pilosus, fusarynina C – Fusarium roseum, jersiniobaktyna – Yersinia pestis, wibriobaktyna – Vibrio cholerae), azotobaktyna – Azotobacter vinelandii, pseudobaktyna – Pseudomonas B 10, erytrobaktyna – Saccharopolyspora erythraea, piowerdyna – Pseudomonas aeruginosa The iron-scavenging molecules produced by many bacteria, called siderophores, are a good example, as demonstrated by experiments with Pseudomonas aeruginosa. Siderophore production is beneficial when iron is limiting, as shown by the fact that wild-type strains that produce siderophores grow faster than mutant strains that do not. Two strains of P. aeruginosain LB medium, showing the pigments of siderophores, which are extracellular molecules released by the bacteria to scavenge iron.

Dobra publiczne - Saccharomyces cerevisiae - inwertaza
Gen Suc2 zewnątrzkomórkowa hydroliza sacharozy pozwala innym komórkom na korzystanie z glukozy i fruktozy Yeast secrete a number of enzymes, including a cidphosphatase (Pho5) [11], phospholipase (Plb2) [12], and invertase (Suc2) [13],that release nutrients from molecules in the medium. Now I will focus on invertase. Invertase breaks down the disaccharide sucrose into the monosaccharides glucose and fructose. The glucose and fructose are imported into the cell by hexose transporters or escape into the medium by diffusion. ( Koschwanez et al. PLoS Bilogy 2011 33

Koszty i zyski produkcji dóbr publicznych
Experimental support for this idea has been obtained from the multiple-generation selection experiment on the production of siderophores in P. aeruginosa27. It was observed that a wild-type strain that produced siderophores out-competed a selfish mutant strain when cultured under conditions of high relatedness, but not when relatedness was lower. Relatedness was manipulated by allowing the bacteria to grow and interact in groups derived from a single clone (relatively high relatedness) or from two clones (relatively low relatedness)27. West et all 2004 Nature

Dobra publiczne „public goods”
Co sprawia, że wspólne zachowania, takie jak produkcja „dóbr publicznych” (np. sideroforów) jest ewolucyjnie stabilna w odpowiedzi na ewentualną inwazję oszustów, którzy powstają poprzez migracje lub mutacje i mają wyższe dostosowanie bezpośrednie? Prowadzi to do zasadniczego problemu, co sprawia, że wspólne zachowania, takie jak produkcja siderophore ewolucyjnie stabilnej w odpowiedzi na ewentualną inwazję oszustów, który powstaje poprzez migrację lub mutacji?

Ograniczone rozproszenie (lepkość populacji) - wyjaśnia produkcję każdego „publicznego dobra” w sytuacji gdy produkowane jest w pobliżu, tam gdzie są krewni. Wzrost klonalny zapewnia otoczenie krewniaków Prowadzi to do zasadniczego problemu, co sprawia, że wspólne zachowania, takie jak produkcja siderophore ewolucyjnie stabilnej w odpowiedzi na ewentualną inwazję oszustów, który powstaje poprzez migrację lub mutacji?

Max tam gdzie wysokie r i populacja Proporcja współpracujących w populacji - Produkcja siderforów - wysokie r – linie ciągłe - niskie r – linie przerywane - konkurencja globalna - konkurencja lokalna Prowadzi to do zasadniczego problemu, co sprawia, że wspólne zachowania, takie jak produkcja siderophore ewolucyjnie stabilnej w odpowiedzi na ewentualną inwazję oszustów, który powstaje poprzez migrację lub mutacji? Figure 3The evolution of cooperation in response to relatedness and the scale of competition. The proportion of cooperating individuals who produce pyoverdin siderophores is plotted against time. The different lines represent relatively high (solid line) and low (dashed line) relatedness. The different symbols represent relatively global (circle) and local (triangle) competition. Each of the four treatments was replicated four times, and standard errors are shown for the final time point. Time ismeasured as transfers, between which cultures were allowed to grow for 24 h. Cooperation is favoured by higher relatedness and more global competition. Uważa się że 90% bakterii tworzy skupiska/kolonie/biofimy itp…. NATURE | VOL 430 | 26 AUGUST 2004 |

„dobra publiczne” – przykład kooperacji!
Dostosowanie bezpośrednie producenta spada…ale dzięki lepkości populacji korzyści głównie odnoszą krewni dostosowanie całkowite wzrasta!

„dobra publiczne” – przykład kooperacji!
Dostosowanie bezpośrednie producenta spada…ale dzięki lepkości populacji korzyści głównie odnoszą krewni dostosowanie całkowite wzrasta! A jeśli środowisko nie jest stałe? (brak lepkości populacji)

Warunki ewolucji doboru krewniaczego r x b > c Równanie Hamiltona: > korzyści - wzrost dostosowania (mierzonej jako własny liczba kopii genu przekazywane z pokolenia na pokolenie. koszty > Pokrewieństwo pomiędzy aktorem a losowym członkiem populacji Pokrewieństwo pomiędzy aktorem i odbiorcą Hamitlon’s rule: Formally, such genes should increase in frequency when where r = the genetic relatedness of the recipient to the actor, often defined as the probability that a gene picked randomly from each at the same locus is identical by descent. B = the additional reproductive benefit gained by the recipient of the altruistic act, C = the reproductive cost to the individual of performing the act. This inequality is known as Hamilton's rule after W. D. Hamilton who published, in 1964, the first formal quantitative treatment of kin selection to deal with the evolution of apparently altruistic acts. Benefits – increase of fitness (indirect benefits measured fe. as a self gene copy number transferred to the next generation has to be higher than Costs (in this case he higest - a death of the indyvidual) For any altruistic behavior to evolve via kin selection, it is not the average genetic similarity of the population that is important. Rather, what is important is the relatedness between an actor and a recipient compared to the relatedness between an actor and a random member of the population (e.g.,Grafen2006). Consequently,the population-wide average genetic similarity is meaningless in the absence of mechanisms or conditions that can promote “non random associations between genotypes(assortment)”(Hamilton1971). And also: 1. Ograniczone rozproszenie (lepkość populacji) 2. Rozróżnienie krewnych (lub osobników niosących wspólne geny „altruizmu” 40

Ale jak rozróżnić krewnych?
……. Jak rozróżnić innych którzy też współpracują?

rozróżnianie altruistów
Dlaczego jednostki współpracujące nie są „rozdarte” i „przejęte” przez oszustów, którzy czerpią korzyści nie wnosząc nic do społeczności? William D. Hamilton (1964) …. Hipoteza „genu zielonej brody” Richard Dawkins „Samolubnym genie” (1976). So now we are facing the common dillema expressed by evolutionary biologists: Why cooperation exist? Why cooperting individuals are not torn apart and taken over by cheaters, who reap communal benefits contributing nothing? One of the explanation expressed firstly by Willima Hamilton and then by Richard Dawkins says: about the „green beard gene” Cooperating individuals do identify themselves by „green beards”, features that are coded by a pleiotropic gene provides cooperative traits. “Greenbeards” Genes that code for a conspicuous phenotype that can be used to discriminate between carriers and noncarriers of the gene, and that induce a carrier to behave altruistically toward another carrier, irrespective of the genetic relatedness at other loci between the two partners. This mechanism emphasizes that, in terms of relatedness, what is most important for altruism to evolve is genetic relatedness at the altruism locus (i.e., the probability that interacting partners have the same allele) as opposed to genealogical relationship over the entire genome (Gardner and West 2010) 42

rozróżnianie altruistów
flokuliny rozróżnianie altruistów HIPOTEZA: Osobniki współpracujące identyfikują się przez widoczny fenotyp (gen „zielonej brody”), kodowany przez gen plejotropowy zapewnia zachowanie współpracy bez względu na pokrewieństwo genetyczne Saccharomyces cerevisiae gen FLO1 Dictyostelium discoideum– gen csA So now we are facing the common dillema expressed by evolutionary biologists: Why cooperation exist? Why cooperting individuals are not torn apart and taken over by cheaters, who reap communal benefits contributing nothing? One of the explanation expressed firstly by Willima Hamilton and then by Richard Dawkins says: about the „green beard gene” Cooperating individuals do identify themselves by „green beards”, features that are coded by a pleiotropic gene provides cooperative traits. “Greenbeards” Genes that code for a conspicuous phenotype that can be used to discriminate between carriers and noncarriers of the gene, and that induce a carrier to behave altruistically toward another carrier, irrespective of the genetic relatedness at other loci between the two partners. This mechanism emphasizes that, in terms of relatedness, what is most important for altruism to evolve is genetic relatedness at the altruism locus (i.e., the probability that interacting partners have the same allele) as opposed to genealogical relationship over the entire genome (Gardner and West 2010) 43

Dictyostelium discoideum– gen csA
Flocullins Dictyostelium discoideum– gen csA worząc w okresie niedoboru substancji odżywczych zarodniki, śluzowce z gatunku Dictyostelium discoideum wyposażają je w zapasy na przyszłe życie – niewielką ilość bakterii, które będzie można hodować w nowym miejscu zamieszkania. W zwykłych okolicznościach forma wegetatywna D. discoideum prowadzi jako organizm jednokomórkowy samodzielne życie. Porusza się za pomocą nibynóżek i odżywia się fagotroficznie. Gdy jednak w otoczeniu zabraknie pożywienia, śluzowce gromadzą się i zaczynają tworzyć przypominający ślimaka organizm – pseudoplasmodium. Wszystkie wchodzące w jego skład komórki zachowują odrębność. Część pełzaków (ok. 1/5) wytwarza wystający z psudoplasmodium trzonek, a następnie obumiera. Na jego szczycie inni się zbierają i produkują zarodniki, które następnie przenoszą woda, zwierzęta czy wiatr. Wcześniej zachowania pararolnicze obserwowano m.in. u hodujących grzyby mrówek, jednak nigdy u tak prostych organizmów. Bakterii w sporach D. discoideum jest tyle, by wystarczyło do założenia kolonii w nowym miejscu, jeśli okaże się, że brak ich w środowisku. Zafascynowani śluzowcami naukowcy z Rice University odkryli ich zdolność do tworzenia zapasów i hodowania innych organizmów właściwie przez przypadek. Wierzą, że stało się tak, ponieważ badali próbki nie z laboratorium, ale pochodzenia naturalnego. Szefowa projektu Debra Brock wyjaśnia, że wcześniej zajmowała się genami rozwojowymi śluzowców. Ponieważ jednak uruchomiła nowe laboratorium, dostała dzikie klony, stąd szansa na spojrzenie z nieco innej perspektywy. Wydaje się, że badane zachowanie jest wrodzone – klony śluzowców o zacięciu rolniczym są bowiem farmerami, a klony organizmów nieuprawiających bakterii również tego nie robią. Film -

worząc w okresie niedoboru substancji odżywczych zarodniki, śluzowce z gatunku Dictyostelium discoideum wyposażają je w zapasy na przyszłe życie – niewielką ilość bakterii, które będzie można hodować w nowym miejscu zamieszkania. W zwykłych okolicznościach forma wegetatywna D. discoideum prowadzi jako organizm jednokomórkowy samodzielne życie. Porusza się za pomocą nibynóżek i odżywia się fagotroficznie. Gdy jednak w otoczeniu zabraknie pożywienia, śluzowce gromadzą się i zaczynają tworzyć przypominający ślimaka organizm – pseudoplasmodium. Wszystkie wchodzące w jego skład komórki zachowują odrębność. Część pełzaków (ok. 1/5) wytwarza wystający z psudoplasmodium trzonek, a następnie obumiera. Na jego szczycie inni się zbierają i produkują zarodniki, które następnie przenoszą woda, zwierzęta czy wiatr. Wcześniej zachowania pararolnicze obserwowano m.in. u hodujących grzyby mrówek, jednak nigdy u tak prostych organizmów. Bakterii w sporach D. discoideum jest tyle, by wystarczyło do założenia kolonii w nowym miejscu, jeśli okaże się, że brak ich w środowisku. Zafascynowani śluzowcami naukowcy z Rice University odkryli ich zdolność do tworzenia zapasów i hodowania innych organizmów właściwie przez przypadek. Wierzą, że stało się tak, ponieważ badali próbki nie z laboratorium, ale pochodzenia naturalnego. Szefowa projektu Debra Brock wyjaśnia, że wcześniej zajmowała się genami rozwojowymi śluzowców. Ponieważ jednak uruchomiła nowe laboratorium, dostała dzikie klony, stąd szansa na spojrzenie z nieco innej perspektywy. Wydaje się, że badane zachowanie jest wrodzone – klony śluzowców o zacięciu rolniczym są bowiem farmerami, a klony organizmów nieuprawiających bakterii również tego nie robią. 45

gen csA koduje białko adhezji komórkowej,
pozwalając na formowanie wielokomórkowych owocnika osobniki agregujące „wyłączają: osobniki csa- z agragatów. worząc w okresie niedoboru substancji odżywczych zarodniki, śluzowce z gatunku Dictyostelium discoideum wyposażają je w zapasy na przyszłe życie – niewielką ilość bakterii, które będzie można hodować w nowym miejscu zamieszkania. W zwykłych okolicznościach forma wegetatywna D. discoideum prowadzi jako organizm jednokomórkowy samodzielne życie. Porusza się za pomocą nibynóżek i odżywia się fagotroficznie. Gdy jednak w otoczeniu zabraknie pożywienia, śluzowce gromadzą się i zaczynają tworzyć przypominający ślimaka organizm – pseudoplasmodium. Wszystkie wchodzące w jego skład komórki zachowują odrębność. Część pełzaków (ok. 1/5) wytwarza wystający z psudoplasmodium trzonek, a następnie obumiera. Na jego szczycie inni się zbierają i produkują zarodniki, które następnie przenoszą woda, zwierzęta czy wiatr. Wcześniej zachowania pararolnicze obserwowano m.in. u hodujących grzyby mrówek, jednak nigdy u tak prostych organizmów. Bakterii w sporach D. discoideum jest tyle, by wystarczyło do założenia kolonii w nowym miejscu, jeśli okaże się, że brak ich w środowisku. Zafascynowani śluzowcami naukowcy z Rice University odkryli ich zdolność do tworzenia zapasów i hodowania innych organizmów właściwie przez przypadek. Wierzą, że stało się tak, ponieważ badali próbki nie z laboratorium, ale pochodzenia naturalnego. Szefowa projektu Debra Brock wyjaśnia, że wcześniej zajmowała się genami rozwojowymi śluzowców. Ponieważ jednak uruchomiła nowe laboratorium, dostała dzikie klony, stąd szansa na spojrzenie z nieco innej perspektywy. Wydaje się, że badane zachowanie jest wrodzone – klony śluzowców o zacięciu rolniczym są bowiem farmerami, a klony organizmów nieuprawiających bakterii również tego nie robią. Mieszanki komórek pucharowej CSA dzikim komórkach zarodników plonów, "zrodzony" z owocników, które mają 82% typu dzikiego (WT). To dlatego, że dzikiego typu komórki są lepiej przyklejania i bardziej efektywnie połączyć w kruszywo nokaut (KO), komórki pozostają. Na więcej kleju, ale mniej substancji naturalnych, komórki KO może przylegać; WT komórek, jeszcze lepiej na przylegającą, sortowanie preferencyjnie do łodygi.

Figure 1 In binary mixtures withcsA-knockout cells, Dictyostelium wild-type cells sort out preferentially in the stalk area. We made 1:1 mixtures of wild-type AX2 cells expressing the lacZ gene (AX2/β-gal) under the control of the actin 15 promoter with either (A) wild-type AX2 or (B) csA-knockout T10 cells (15) at the beginning of development. Then we plated them on nonnutrient agar for fruiting body formation. Staining with β-gal appears to be homogeneously distributed in control mixtures of wild-type cells (A), whereas it is concentrated in the stalk area in mixtures with knockout cells (B). Zmieszane osobniki typu dzikiego oraz mutanty z usuniętym csA (ciemne), które stanowiły trzonek i główkę

Saccharomyces cerevisiae - gen FLO1
Flokuliny Saccharomyces cerevisiae - gen FLO1 Smukalla et al. 2008 The price attached to active FLO1 explains why not all wild strains switch it on, but it also raises the question of why flocs aren’t invaded by cheater strains, which gain safety in numbers without having to pay the penalties of FLO1 themselves. The answer is that, for the most part, such strains aren’t allowed in. Smukalla mixed cells with and without active FLO1 in equal measure and left them to mingle for many hours. On his return, he found that the cells with active FLO1 had almost entirely congregated in flocs. Clearly, they prefer to be in each other’s company. Some cheating FLO1-less cells managed to find their way within the floc, which isn’t surprising given that they soon outnumber their peers with their speedier growth. But even so, the FLO1 cells have such an affinity for each other that they push many of the cheaters into the outer layer of the floc, where they ironically end up as the first line of defence for the rest of the community. - Kolejne 3 min. 48

Flokuliny FLO1; FLO5; FLO9; FLO10
Białka adhezyjne, flokuliny są niezbędne podczas tworzenia kolonii, biofilmu drożdży. Flokuliny umożliwiają „zlepianie się” komórek ze sobą Collectively, the ﬂocculin proteins have several biochemIcal functions in organizing yeast communities cell-cell adherence by binding to oligosaccharides on the surfaces of other cells. Flocculins are initially anchored to the cell wall by a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor near the C terminus And require a lectin-likeN-terminal domain to bindoligosaccharides on neighboring cells. FLO1; FLO5; FLO9; FLO10

Flokuliny flokuliny umożliwiają przyczepianie się do powierzchni Second, ﬂocculins (FLO 10 i 11) mediate The binding of cells to plastic and other surfaces. This binding occurs in part through a central domain of the ﬂocculin FLO10; FLO11

Flokuliny komórki „flokulujące” produkują mieszankę polysacharydów blokującą przedostawanie się większych cząstek – zewnątrzkomórkową matrix flokuliny niezbędnę do tworzenia przeudostrzępek the ECM facilitates the formation of pores for water and nutrient flow (Douglas, 2003; Kuthan et al., 2003) and protects the communities against dehydration (Flemming and Wingender, 2010). MDR, multidrug resistance;

Flokuliny EMC chroniła zwartą grupę komórek drożdży podczas zamrażania i rozmrażania, i przed gorącem i substancjami chemiczmi: alkoholem i leki przeciwgrzybicznymi. v These close-knit groups protected the yeast cells from chemical attacks. The experiment show different strains through the wringer, subjecting them to freezing and thawing, heat, alcohol and antifungal drugs. All the cells fared equally badly at extreme temperatures, but those in flocs tolerated about twice as much alcohol and over 100 times more antifungal drugs than their more isolated peers.

FLO- FLO+ ochrona wzrost Flokuliny
Flocullins Flokuliny Koszty? szczepy flokulujce lub tylko eksprymujące gen FLO1 rosną wolniej od mutantów FLO- FLO+ But it’s not all good news for the huddled cells – their fellowship comes at a cost. Huddled within a thick mass of peers, the cells at the centre are shielded from nutrients and oxygen as well as danger. As a result, flocculating strains grow about at a quarter of the pace of those that stick to themselves. And even if the strains are prevented from clumping together, the mere fact that some of them had activated FLO1 meant that they grew more slowly, what represents pure methabolic costs. - kolejne 10 min! ( = 20) ochrona wzrost

FLO1 przykład genu zielonej brody
Flocullins FLO1 przykład genu zielonej brody Mieszanie w równych proporcjach Flo+ Flo- The price attached to active FLO1 explains why not all wild strains switch it on, but it also raises the question of why flocs aren’t invaded by cheater strains, which gain safety in numbers without having to pay the penalties of FLO1 themselves. The answer is that, for the most part, such strains aren’t allowed in. Smukalla mixed cells with and without active FLO1 in equal measure and left them to mingle for many hours. On his return, he found that the cells with active FLO1 had almost entirely congregated in flocs. Clearly, they prefer to be in each other’s company. Some cheating FLO1-less cells managed to find their way within the floc, which isn’t surprising given that they soon outnumber their peers with their speedier growth. But even so, the FLO1 cells have such an affinity for each other that they push many of the cheaters into the outer layer of the floc, where they ironically end up as the first line of defence for the rest of the community. - Kolejne 3 min. Efekt Flo- są na granicy kolonii Smukalla et al. 2008

FLO1 przykład genu zielonej brody
Flocullins FLO1 przykład genu zielonej brody Saccharomyces paradoxus Saccharomyces cerevisiae The previous study can be also explained as a kin selection so as a final test, Smukalla transferred the FLO1 gene to another closely related species of yeast, Saccharomyces paradoxus, which has no version of its own and does not flocculate. Amazingly, the addition of this single gene gave this yeast the ability to form flocs and when the two species were jumbled, they formed mixed-race flocs. It’s a truly powerful set of results. Together, they prove that FLO1 and FLO1 alone produces cooperative behaviour and allows individuals to recognise others with a similar supportive streak. We couldn’t have wished for a better example of Hamilton’s elusive green beard gene. The way it works is simple. FLO1 creates a protein that sits on the surface of an individual yeast and sticks to sugary molecules on the surface of other cells. If both cells have FLO1, the bonds they form are twice as strong. Smukalla even suggests that subtly different versions of FLO1 could allow natural yeast populations to discriminate among one another – there may be many colours of beard out there. FLO1 is also a prime example of the selfish gene idea so widely popularised by Richard Dawkins. By causing a favouritism for other FLO1 carriers, the gene increases its own frequency over time, regardless of what the other genes in the yeast’s portfolio have to say about it. FLO1 also quashes a common misconception about the selfish gene concept – that such genes inevitably lead to selfish organisms. In this case, cooperation at a large scale is borne of selfishness at a small one. Efekt: niezaleznie od pokrewieństwa Flo- są na granicy kolonii

Czy rzeczywiście jest to gen „zielonej brody?”
Flocullins Czy rzeczywiście jest to gen „zielonej brody?” Fenotyp widoczny: białko powierzchniowe komórek kodowane przez geny FLO; zyski: ochrona komórek przed stresującym środowisku; Przeważnie chemiczny stres: 2 razy większe przeżycia obecności EtOH; i 100 krotnie dla amphoteryny B i nadtlenku wodoru Wzajemne rozpoznanie: ściśle chemiczne / mechaniczne Koszty: metaboliczny koszt produkcji białek, w normalnych warunkach wzrostu FLO+ wzrost szczepów ponad 4 razy wolniej niż Flo- The previous study can be also explained as a kin selection so as a final test, Smukalla transferred the FLO1 gene to another closely related species of yeast, Saccharomyces paradoxus, which has no version of its own and does not flocculate. Amazingly, the addition of this single gene gave this yeast the ability to form flocs and when the two species were jumbled, they formed mixed-race flocs. It’s a truly powerful set of results. Together, they prove that FLO1 and FLO1 alone produces cooperative behaviour and allows individuals to recognise others with a similar supportive streak. We couldn’t have wished for a better example of Hamilton’s elusive green beard gene. The way it works is simple. FLO1 creates a protein that sits on the surface of an individual yeast and sticks to sugary molecules on the surface of other cells. If both cells have FLO1, the bonds they form are twice as strong. Smukalla even suggests that subtly different versions of FLO1 could allow natural yeast populations to discriminate among one another – there may be many colours of beard out there. FLO1 is also a prime example of the selfish gene idea so widely popularised by Richard Dawkins. By causing a favouritism for other FLO1 carriers, the gene increases its own frequency over time, regardless of what the other genes in the yeast’s portfolio have to say about it. FLO1 also quashes a common misconception about the selfish gene concept – that such genes inevitably lead to selfish organisms. In this case, cooperation at a large scale is borne of selfishness at a small one.

Dwa przykłady genów „zielonej brody” wyjaśniające zachowania altruistyczne w kierunku nie spokrewnionych osobników (ale na pewno kooperujących)! – co w efekcie wpływa na wzrost dostosowania całkowitego osobników mających te same geny „kooperacji” !

WSPÓŁPRACA mutualizm/wzajemna korzyść altruizm -zachowania zmniejszające bezpośrednie dostosowanie aktora. („dobra publiczne”) -mogą być wyjaśnione, jeśli współpraca jest skierowany do osobników, mających wspólne geny, czyli przez wzrost dostosowania pośredniego (kin selection lub rzadkie geny „zielonej brody”) Równanie Hamiltona zachowania prowadzące do zysków (tj. wzrostu w dostosowaniu bezpośrednim osobników biorących udział w zachowaniu przewyższające poniesione koszty 1. wspólny interes we współpracy biofilmy/odczuwanie kworum 58

Zalety mikroorganizmów w badaniach zachowań socjalnych Przypomnienie podziału zachowań socjalnych Przykłady zachowań socjalnych mikroorganizmów: Wyczuwanie kworum – (ang.quorum sensing) Biofilmy „Dobra publiczne” Geny „zielonej brody” Produkcja toksyn - złośliwośc Apoptoza - programowana śmierć jednokomórkowców There is a growing awareness that microorganisms communicate and cooperate to perform a wide range of multicellular behaviours, such as dispersal, foraging, biofilm forma-tion, ‘chemical warfare’ and quorum sensing1– Microorganisms are particu-larly useful for addressing this problem because of the opportunities that they offer for genetic manipulation and experimental evolution16.

Produkcja toksyn - znane podstawy genetyczne
<35% E.coli strains Produkcja toksyn: bakterie drożdże grzyby nitkowate orzęski Paramecium gąbki rośliny: jako aktywne metabolity (Chao & Levin 1981) toksyny małe białko zabija komórki gatunków samych lub niepowiązanych ma bezpośredni kontakt z komórki, działa w danej temperaturze (25oC) and pH (4.7) Toxin production is a widespread phenomena within living organisms: It has been shown for: bacteri, yeast fungi ….. The most commonl studed case is the bacterial and analysis of strains in E. coli collections (9, 10) suggest that at least 35% of the strains are colicinogenic. In this case, because the release of the toxic compound requires the lysis of the producer cell, the behavior is considered either spite or indirect altruism (West et al. 2007a). Most strains were sensitive to at least one of the 20 different types of colicin tested, but multiple resistance was common, with 22% of the strains being resistant to all of them. Also, the killer phenotypes of Saccharomyces cerevisiae and a few other yeasts have been studied in depth (11). Estimates of killer activity among wild yeasts from various habitats suggest that between 5 and 30% of the strains can kill a standard sensitive Candida glabrata strain (6, 12). Killer strains found among numerous genera: Candida, Cryptococcus, Debaryomyces, Kluyveromyces, Pichia, Ustilago, Torulopsis... Photo D.W-S 5 - 30% szczepów drożdży produkuje toksyny

Toksyny: chemiczna wojna mikroorganizmów
1. Produkcja toksyn jest kosztowna (obniża dostosowanie producenta), R So going back to the less nice example of social bahavious in yeast: We need to know that toxin production is costly, so it reduces the fitness (measured as a growth rate) …. We constructed isogenic strains of K ..cured killers and S …measured their fitness in the conditions wehre the K strains pay the cost of toxin production but did not benefited from it;s effect. Fitness of the K is about 4% less than S strains…. wrażliwy odporny killer – produkuje toksyny Wloch-Salamon et al. 2008 2. Toksyny eliminują całkowicie konkurentów o zasoby 61

Toksyny: chemiczna wojna mikroorganizmów
1. Produkcja toksyn jest kosztowna (obniża dostosowanie), R So going back to the less nice example of social bahavious in yeast: We need to know that toxin production is costly, so it reduces the fitness (measured as a growth rate) …. We constructed isogenic strains of K ..cured killers and S …measured their fitness in the conditions wehre the K strains pay the cost of toxin production but did not benefited from it;s effect. Fitness of the K is about 4% less than S strains…. wrażliwy odporny killer – produkuje toksyny Wloch-Salamon et al. 2008 Czy jest to złośliwość? ( - , - ) czy altruizm? (- , +) ? A może coś innego? 62

Toksyczność: wojna chemiczna w mikrobów
Sukces (wzrost dostosowania) producentów toksyny zaobserwowano dla „lepkich populacji” gdzie zachowana była struktura populacji dzięki stałemu środowisku, i gdy początkowa liczebność „killerów” była odpowiednio duża Then the K and S populations were mixed in different initial frequencies (from equal to 1K – to s cells ) from strains were Other results show that even starting from very low K frequencies but in structure env. Was inought for K to win in competition with S. Non - Structured Structured Wloch-Salamon ESEB 2005 poster

Toksyczność: wojna chemiczna w mikrobów
złośliwość altruizm negatywny- samolubstwo mutualizm pozytywny+ wpływ na aktora negatywny - pozytywny + wpływ na odbiorcę West, et al The beneﬁ to toxic killing is greater than its Metabolic cost (of approx. 3%) only when nutrients are Abundant and dispersal is limited. derophores, increases monotonically as relatedness between social partners increases28 (a). Quorum sensing (QS) signalling (b) and bacteriocin production (c) are both predicted to show a dome-shaped function of relatedness, with signalling91 and bacteriocin production70 maximized at an intermediate relatedness. „produkcja toksyn” – kolejny proces który należy rozpatrywać w aspekcie doboru krewniaczego, i dostosowanie całkowitego osobnika! - czy moża to być złośliwośc? Czy raczej samolubstwo? 64

Zalety mikroorganizmów w badaniach zachowań socjalnych Przypomnienie podziału zachowań socjalnych Przykłady zachowań socjalnych mikroorganizmów: Wyczuwanie kworum – (ang.quorum sensing) Biofilmy „Dobra publiczne” Geny „zielonej brody” Produkcja toksyn Apoptoza jednokomórkowców - programowana śmierć There is a growing awareness that microorganisms communicate and cooperate to perform a wide range of multicellular behaviours, such as dispersal, foraging, biofilm forma-tion, ‘chemical warfare’ and quorum sensing1– Microorganisms are particu-larly useful for addressing this problem because of the opportunities that they offer for genetic manipulation and experimental evolution16.

Znaczenie apoptozy u wielokomórkowców
Programowanej śmierci komórki (PCD) Znaczenie apoptozy u wielokomórkowców (gdzie poziom komórki nie jest poziomem organizmu) PCD = komórki przeznaczone na śmierć; = komórki umierają zgodnie z planem = proces wymaga energii = powoduje zmiany ekspresji genów = może zostać zatrzymany do „"punktu bez powrotu" The presence of PCD has been disovered within multicellular organism and for long restricted to them. In a multicellular context, the term “programmed” has been used to imply two different issues. The cell level – is not an individual level The first implication is that some cells are destined to die; that is,they are physiologically or developmentally programmed to die in a time-and position dependent manner, for instance to maintain tissue homeostasis or shape organs during development. Second,“programmed”implies that cells die following an internal, genetically encoded death program that ensures an organized death in response to either stress or developmental factors. = involve changes in gene expression = can be blocked till „the point of no return” Nedelcu et al 66

Znaczenie procesu u jednokomórkowców
Programowanej śmierci komórki (PCD) Znaczenie procesu u jednokomórkowców (gdzie poziom komórki jest poziomem organizmu) PCD = komórki przenaczone na smierć; = komórki umierają zgodnie z planem = proces wymaga energii = powoduje zmiany ekspresji genów = może zostać zatrzymany do „"punktu bez powrotu" The presence of PCD has been disovered within multicellular organism and for long restricted to them. In a multicellular context, the term “programmed” has been used to imply two different issues. The cell level – is not an individual level The first implication is that some cells are destined to die; that is,they are physiologically or developmentally programmed to die in a time-and position dependent manner, for instance to maintain tissue homeostasis or shape organs during development. Second,“programmed”implies that cells die following an internal, genetically encoded death program that ensures an organized death in response to either stress or developmental factors. = involve changes in gene expression = can be blocked till „the point of no return” Nedelcu et al 67

Drożdżowe markery apoptozy
Mutant Saccharomyces cerevisiae (cell division cycle gene) CDC48 wykazuje fenotyp apoptotyczny. Do chwili obecnej znane jest 19 genów związanych z drożdżową apotozą (SGD) Główne: MCA1 (mammalian caspases); AIF 1 (apoptosis inducing factor); NUC1 (mitochondrial nuclease) Biochemiczne i molekularne dane potwierdzają obecność PCD w drożdżach Apoptosis A PCD morphotype characterized by specific morphological and biochemical features, including mitochondrial depolarization, reduction of cellular volume, chromatin condensation, nuclear fragmentation, little or no ultrastructural modifications of cytoplasmic organelles, and plasma membrane blebbing (but maintenance of itsintegrity until the final stages oft he process) It;s research in yeast all began ~1997 with the distinguish of the set of markers typical for apoptosis in the mutant of division cycle gene CDC48 DNA fragmentation by TUNEL DNA fragmentation by DAPI

Obserwacje drożdżowej apoptozy
There has been several observed events of apoptosis reported and factors inducing apoptosis are known : Unsucesfull maiting result in apoptotic death; Incubation in rain water Toxin uch as: Mating, maiosis and sporulation process, survival in water, toxin exposure, colony diferentiation, replicative aging (measured by the nr of daughter cells produced) etc…..and their explanation has been formulated:

Czy umieranie może być lepszą strategią niż życie?
Po co umierać? Czy umieranie może być lepszą strategią niż życie? Kiedy? i dlaczego? Kto korzysta z takiej śmierci? But the question arise…why to die? Can dying could be a better strategy than living? When?.....and why? Who is the beneficient of one’s death?

Dlaczego komórki drożdży przechodzą apoptozę?
Why to die? Dlaczego komórki drożdży przechodzą apoptozę? Występowanie apoptozy wyjaśniane przez korzyści: oszczędność substancji odżywczych usunięcie słabych, niezdrowych, sterylnych, komórek zmutowanych lub uszkodzonych ochrona "lepszych" komórek ułatwienia przystosowania się do nowych środowisk / zmian Existence of yeast apoptosis is explained by benefits: Existence of apoptosis is explained by benefits: nutrients spare removal of weak, unhealthy, sterile, mutated or damaged cells protection of „better” cells facilitate adaptation to new/changing environments

Perspektywa ewolucyjna
Why to die? Perspektywa ewolucyjna Czy PCD może być utrwalona/korzystna ewolucyjnie bez adaptacji na istniejącym poziomie (tj. komórki? A nie populacji?) Kiedy ten ekstremalny altruizm może być adaptacją? Is active death an adaptation in the sense of having evolved and being maintained by selection? If so, which is the level on which selection acts and that manifests this adaptation? Could PCD benefit another level of organization without being an adaptation at that level? When death of the individual, extreme altruism be an adaptation? What conditios has to be fulfilled? ONly when then implicit assumption is fulfilled…..

Ukryte założenie: Aktywna (programowana) śmierć jednokomórkowców jest adaptacyjną cecha, która ewoluowała i jest utrzymywana przez dobór krewniaczy (kin selection) These assumption is the presence of kin/group selection; so only if the individual „sacrify itself for the sake of the relatives and their genes it makes evolutionary sense” Only then active death in unicellular lineages could be adaptive Following this …what are the condition for altruistic bahavious to evolve under kin selection?

Warunki ewolucji doboru krewniaczego r x b > c Równanie Hamiltona: > korzyści - wzrost dostosowania (mierzonej jako własny liczba kopii genu przekazywane z pokolenia na pokolenie. Koszty (ŚMIERĆ!!!!!) > Pokrewieństwo pomiędzy aktorem a losowym członkiem populacji Pokrewieństwo pomiędzy aktorem i odbiorcą Hamitlon’s rule: Formally, such genes should increase in frequency when where r = the genetic relatedness of the recipient to the actor, often defined as the probability that a gene picked randomly from each at the same locus is identical by descent. B = the additional reproductive benefit gained by the recipient of the altruistic act, C = the reproductive cost to the individual of performing the act. This inequality is known as Hamilton's rule after W. D. Hamilton who published, in 1964, the first formal quantitative treatment of kin selection to deal with the evolution of apparently altruistic acts. Benefits – increase of fitness (indirect benefits measured fe. as a self gene copy number transferred to the next generation has to be higher than Costs (in this case he higest - a death of the indyvidual) For any altruistic behavior to evolve via kin selection, it is not the average genetic similarity of the population that is important. Rather, what is important is the relatedness between an actor and a recipient compared to the relatedness between an actor and a random member of the population (e.g.,Grafen2006). Consequently,the population-wide average genetic similarity is meaningless in the absence of mechanisms or conditions that can promote “non random associations between genotypes(assortment)”(Hamilton1971). And also: 1. Ograniczone rozproszenie (lepkość populacji) 2. Rozróżnienie krewnych (lub osobników niosących wspólne geny „altruizmu” i preferencyjną bezpośrednią pomoc w ich kierunku. 74

mechanizmy promujące dobór krewniaczy
1. Rozpoznanie krewnych brak danych w aspekcie apoptozy 2. Obecność struktury genetycznej populacji (lepkość populacji) hipoteza: brak danych eksperymentalnych łatwe do manipulowania w laboratorium, trudne do opanowania w przyrodzie These mechanisms can include kin recognition/discrimination, population genetic structure due to low rates or shortranges of dispersal (although widespread dispersal can occur at some stage of the life-cycle;e.g., spore dispersal in D.discoideum), such that the interacting partners are more likely to be genealogically related (population viscosity),or theso-called“greenbeard”effect (Hamilton1964b; Dawkins1976). The relative importance of these mechanisms is different in unicellular lineages (and among distinct unicellular lineages) compared to complex multicellular lineages. In the former, the“greenbeard”effect (Box1) and population viscosity are believed to be more important than kin recognition (Westet al.2007a, but see Benabentos et al.2009 and Chaineetal.2010). Yet, little is known about the nature and generality of mechanisms that can promote such nonrandom associations in the unicellular world. 1. kin recognition/discrimination; - not much data: experiments with single species populations 2. presence of the population genetic structure (due to low rates or shortranges of dispersal); - - easy to manipulate in laboratory, difficult to control in nature 3.“greenbeard”effect - combining FLO1 gene with apoptosis measurements? For instance, it is thought that mutations in populations with low dispersal can result in the loss of cooperative traits (see West et al. 2007a for a However, in the absence of a specific mechanism that can direct these benefits to related individuals, they are also likely to be available to nonkin, especially in unstruc- tured populations Następne 10 (50 min!)

Dane eksperymentalne EKSPERYMENT: WYNIK: WNIOSKI:
Why to die? Dane eksperymentalne EKSPERYMENT: deletions/mutation of the ACD gene (YCA1; glutaredoxin 2 ) WYNIK: Spadek dostosowania populacji Wzrost mutacji WNIOSKI: Apoptoza – pozwala na usunięcie uszkodzonych komórek Herker et al. 2004; Gomes et al. 2008 Yet, the effects observed in these experiments can also be interpreted in terms of the disrupted genes having pleiotropic effects on other cellular activities. In yeast, metacaspase deletion prevented death under conditions that induce ACD in wild-type yeast, including oxidative stress and chronological aging (Madeo et al. 2002; Khan et al. 2005; Vachova and Palkova 2005). However, aged yeast metacaspase mutants lost their ability to regrow when transferred to fresh medium, accumulated more mutations than the wild-type, and although they had a short-term advantage, ultimately lost in competition with the wild-type (Vachova and Palkova 2005). Because these mutants did not undergo ACD during aging, the accumulation of mutations and the decreased fitness in this population relative to the corresponding wild-type population was interpreted to argue for ACD having a role at the population level—that is, in removing stress-induced damaged or mutated cells. Yet the inactivation of the metacaspase gene could have (in addition to its short-term effect on preventing ACD) a long-term negative effect on individual fitness, especially in stressful environmental conditions such as during chronological aging. Thus, the observed decreased fitness could be a direct effect of metacaspase loss on individual fitness, not a consequence of the inability to remove damaged cells through ACD. . Consistent with this possibility, yeast metacaspase mutants have been found to have a higher content of oxidized proteins relative to the wild-type, even in the absence of stress A similar example is provided by the glutaredoxin 2 gene. In yeast, glutaredoxin 2 mutant populations avoided cadmium stress- induced ACD but showed higher mutation rates (as suggested by the accumulation of “petite” cells) relative to the surviving wild- type population (Gomes et al. 2008). These data were interpreted to suggest that ACD is a “mechanism for elimination of mutated and impaired cells” (Gomes et al. 2008). However, the apparent accumulation of “petite” cells in the mutant population can be due to an increased mutation rate in the glutaredoxin 2 mutant, and not to the inability to remove stress-induced mutants in the absence of ACD. This is consistent with the finding that the glutaredoxin 2 mutant exhibited high mutation rates (Gomes et al. 2008). Our main point in discussing these studies is to stress the fact that the blocking of ACD in experiments aimed at addressing its benefits should be performed in ways that are not likely to interfere with other cellular activities.

Efekty plejotropowe: Dane eksperymentalne EKSPERYMENT: WYNIK: WNIOSKI:
Why to die? Dane eksperymentalne EKSPERYMENT: deletions/mutation of the ACD gene (YCA1; glutaredoxin 2 ) WYNIK: Spadek dostosowania populacji Wzrost mutacji WNIOSKI: Apoaptoza – pozwala na usuniecie uszkodzonych komórek Herker et al. 2004; Gomes et al. 2008 Efekty plejotropowe: Sama delecja powoduje: spadek dostosowania osobników; zwiększona liczba wolnych rodników zwiększa tempo mutacji Yet, the effects observed in these experiments can also be interpreted in terms of the disrupted genes having pleiotropic effects on other cellular activities. In yeast, metacaspase deletion prevented death under conditions that induce ACD in wild-type yeast, including oxidative stress and chronological aging (Madeo et al. 2002; Khan et al. 2005; Vachova and Palkova 2005). However, aged yeast metacaspase mutants lost their ability to regrow when transferred to fresh medium, accumulated more mutations than the wild-type, and although they had a short-term advantage, ultimately lost in competition with the wild-type (Vachova and Palkova 2005). Because these mutants did not undergo ACD during aging, the accumulation of mutations and the decreased fitness in this population relative to the corresponding wild-type population was interpreted to argue for ACD having a role at the population level—that is, in removing stress-induced damaged or mutated cells. Yet the inactivation of the metacaspase gene could have (in addition to its short-term effect on preventing ACD) a long-term negative effect on individual fitness, especially in stressful environmental conditions such as during chronological aging. Thus, the observed decreased fitness could be a direct effect of metacaspase loss on individual fitness, not a consequence of the inability to remove damaged cells through ACD. . Consistent with this possibility, yeast metacaspase mutants have been found to have a higher content of oxidized proteins relative to the wild-type, even in the absence of stress A similar example is provided by the glutaredoxin 2 gene. In yeast, glutaredoxin 2 mutant populations avoided cadmium stress- induced ACD but showed higher mutation rates (as suggested by the accumulation of “petite” cells) relative to the surviving wild- type population (Gomes et al. 2008). These data were interpreted to suggest that ACD is a “mechanism for elimination of mutated and impaired cells” (Gomes et al. 2008). However, the apparent accumulation of “petite” cells in the mutant population can be due to an increased mutation rate in the glutaredoxin 2 mutant, and not to the inability to remove stress-induced mutants in the absence of ACD. This is consistent with the finding that the glutaredoxin 2 mutant exhibited high mutation rates (Gomes et al. 2008). Our main point in discussing these studies is to stress the fact that the blocking of ACD in experiments aimed at addressing its benefits should be performed in ways that are not likely to interfere with other cellular activities. 77

LUB or Hipoteza alternatywna Apoptoza drożdży:
Why to die? Hipoteza alternatywna Apoptoza drożdży: wynika z niemożności stłumienia działania mitochondrialne wytwarzanych wolnych rodników (ROS) (wybuch oksydacyjny) Altruistyczne samobójstwo LUB or Brak znaczenia adaptatywnego Znaczenie adaptatywne Although they are not usually given much consideration, suggestions that ACD might be an unavoidable outcome of metabolic imbalances have been made (e.g., Bidle and Falkowski 2004). In actively growing cells, when growth is arrested by some form of sublethal stress, energy utilization becomes uncoupled from energy production, and this can lead to an oxidative burst resulting in cell death (Aldsworth et al. 1999). This scenario is consistent with the observation that under the same ACD-inducing conditions, cells from exponentially grown cultures (or nonquiescent cells) are more likely to undergo ACD compared to cells from stationary phase (or quiescent cells). For instance, in aging yeast cultures, nonquiescent cells (i.e., those that continue to divide after the exhaustion of glucose in the medium) are much more likely to develop apoptotic markers than the quiescent/resting cells (Allen et al. 2006). Similarly, E. coli mazEF-mediated cell death occurs during exponential but not stationary phase (Hazan et al. 2004, but see Kolodkin-Gal et al. 2007). ACD jest błędny cecha utrzymane jako produkt uboczny selekcji na prosurvival funkcji na poziomie indywidualnym 78

Programowana śmierć komórki (PCD)
złośliwość altruizm negatywny- samolubstwo mutualizm pozytywny+ wpływ na aktora negatywny - pozytywny + wpływ na odbiorcę West, et al The beneﬁ to toxic killing is greater than its Metabolic cost (of approx. 3%) only when nutrients are Abundant and dispersal is limited. derophores, increases monotonically as relatedness between social partners increases28 (a). Quorum sensing (QS) signalling (b) and bacteriocin production (c) are both predicted to show a dome-shaped function of relatedness, with signalling91 and bacteriocin production70 maximized at an intermediate relatedness. Programowana śmierć komórki (PCD) 79

…wiele jest do odkrycia Zapraszam do naszego zespołu! ZGE (drożdże)
PODSUMOWANIE Socjomikrobiologia to nowa gałąź nauki, łączy postępy mikrobiologii i teorię ewolucji …wiele jest do odkrycia Zapraszam do naszego zespołu! ZGE (drożdże) 193 cytacje Westa - po kazdego roku! 80

Dziękuję za uwagę

Socjomikrobiologia Ewolucyjna

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Socjomikrobiologia Ewolucyjna"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Socjomikrobiologia Ewolucyjna

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Socjomikrobiologia Ewolucyjna"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres