Physiology of bacteria II - MB140P32

• Title: Fyziologie bakterií II
• Czech title: Fyziologie bakterií II
• Guaranteed by: Department of Genetics and Microbiology (31-140)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2025
• Semester: summer
• E-Credits: 3
• Examination process: summer s.:oral
• Hours per week, examination: summer s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Level: specialized
• Note: enabled for web enrollment; priority enrollment if the course is part of the study plan
• Guarantor: doc. RNDr. Radovan Fišer, Ph.D.
• Teacher(s): doc. RNDr. Radovan Fišer, Ph.D.; Mgr. Jarmila Hnilicová, Ph.D.; Mgr. Jitka Jirát Matějčková, Ph.D.; RNDr. Petra Lišková, Ph.D.; RNDr. Gabriela Mikušová, Ph.D.; Mgr. Viola Vaňková Hausnerová, Ph.D.
• Co-requisite : MB140P34

Annotation

English

This lecture represents a continuation of the course "Physiology of bacteria" MB140P34 which is its prerequisite. It covers the following themes: types of regulations in bacterial cell, its adaptation in environment, communication, differentiation, signalling, physiology of the bacterial membranes and bacterial toxins.

Last update: Konopásek Ivo, doc. RNDr., CSc. (06.05.2014)

Czech

Přednáška je pokračováním modulové přednášky Fyziologie bakterií I, která je její prerekvizitou. Jsou probírány typy regulací v bakteriální buňce, její adaptace v prostředí a komunikace s okolím, diferenciace, signalizace, fyziologie bakteriálních membrán, neribosomální syntéza proteinů, metody detekce patogenů a antibiotická rezistence.

Last update: Mikušová Gabriela, RNDr., Ph.D. (03.01.2025)

Literature

English

Kim B.H., Gadd, G.M.: Prokaryotic metabolism and Physiology, 2nd edition (2019)
Moat A.G.,, Foster J.W., Spector M.P., Microbial Physiology, 4th Edition Wiley-Blackwell; 2002
Encyclopedia of Microbiology , 3ed, Editor-in-Chief:  Moselio Schaechter, Elsevier, 2009
The Prokaryotes, Springer; 4rd edition (2014)
Madigan, Bender, Buckley: Brock Biology of Microorganisms, Benjamin Cummings; 15 edition (2017)
Vybrané přehledové články z : Nature Reviews Microbiology, Annual Reviews of Microbiology

Last update: Konopásek Ivo, doc. RNDr., CSc. (18.02.2021)

Requirements to the exam

English

The exam is written. It is based on presentations of lectures and recommended literature.

Last update: Konopásek Ivo, doc. RNDr., CSc. (29.10.2019)

Czech

Zkouška je písemná. Vychází z prezentací přednášek a z doporučené literatury. 

Last update: Mikušová Gabriela, RNDr., Ph.D. (02.02.2024)

Syllabus

English

Lecturer: IK: Ivo Konopásek, RF: Radovan Fiser, GM: Gabriela Mikusova, PL: Petra Liskova  

1. Regulation in bacteria (IK) Regulation of enzyme synthesis, regulation of gene expression in bacteria and archea Regulation of enzyme activity  

2. Global Regulation (IK) Global regulation: the answer to environmental stress Stringent response and carbon source limitations Limitations of nitrogen source Phosphate limitation Regulation of transition between aerobic and anaerobic metabolism    

3. Environmental stress and taxis (IK)  RpoS and global stress response Sigma factors and regulation of stress response Thermal shock Cold shock Oxidative stress Quorum sensing Osmotic shock Chemotaxis  

4. Bacterial protein toxins (RF)   Toxins acting as superantigens    superantigens   mechanism of action (binding)     examples + producers:         SEA, SEB, SECn, SEED, SEE, SEG, SEH (Staphylococcus aureus)         SPEA SPEC (Streptococcus pyogenes)         SPEB (streptococcal pyrogenic exotoxin B)         SMEZ (p. Mitogenic exotoxin Z)         MAM (Mycoplasma arthritidis T-cell mitogen) Cell membrane damaging toxins (PFT)     General mechanism of action     Common features of PFT     Examples:     RTX toxins (G + / G- bacteria)         CyaA - Bordetella pertussis         HlyA- (Escherichia coli)     "small" PFT (G + bacteria)         alpha toxin (Staphylococcus aureus)     "large" PFT (G + bacteria)         Common features         Specific membrane interaction         Changes in monomer conformation         Oligomer formation         examples + producers:         PFO - perfringolysin O (Cl. Perfringens)         SLO - Streptolysin O (Str. Pyogenes)         PLY - pneumolysin (Str. Pneumonia)         LLO - Listeriolysin O (L. monocytogenes) Approaches to study pore-forming toxins (PFT)     In vitro         Model system of black lipid membranes (electrophysiology)         Study of PFT using liposomes (fluorescence)         Droplet and hydrogel system (electrophysiology + fluorescence)     In vivo - Monitoring of Ca2 + (fluorescence)  

5. Life of bacteria in biofilm (PL) Basic characteristics and occurrence of biofilm Physiology of cells in biofilm Extracellular matrix Development and dispersion of biofilm Signals affecting biofilm formation Multi-species biofilm  

6. Lipids in the membrane of bacteria (GM) Types of bacterial lipids (polar heads, fatty acids, primary structure) Membrane models Non-annular lipids Annular lipids - effect on the function of membrane proteins Function of acidic phospholipids in the membrane Function of phosphatidylethanolamine in membrane Membrane lipids as a target of antibiotics  

7. Bacillus subtilis - differentiation and multicellular (GM) Characteristics of Bacillus subtilis Differentiation - cell types and cell fate determination Differentiation triggering signals Regulation of gene expression heterogeneity  

8. Non-ribosomal peptide synthesis (GM) Characteristics of NRPS peptides and principle of synthesis Basic domains of synthetase Domain Tailoring Modification of NRPS  

 9. General mechanisms of bacterial pathogenesis (OC)

10. Heterogeneity of bacterial population in pathogenesis (OC)

Last update: Konopásek Ivo, doc. RNDr., CSc. (22.04.2022)

Czech

Přednášející: JH: Jarmila Hnilicová, GM: Gabriela Mikušová, PL: Petra Lišková, JJM: Jitka Jirát Matějčková, VVH: Viola Vaňková Hausnerová

 

1. Regulace u bakterií (JH) 

Regulace syntézy enzymu, regulace genové exprese u bakterií a archea

Regulace aktivity enzymu

 

2. Globální regulace (JH)

Globální regulace: odpověď na environmentální stres

Stringentní odpověď a limitace zdrojem uhlíku

Limitace zdrojem dusíku

Limitace fosfátem

Regulace přechodu mezi aerobním a anaerobním metabolizmem

 

3. Environmentální stres a taxe (JH)

RpoS a globální stresová odpověď

Sigma faktory a regulace stresové odpovědi

Teplotní šok

Chladový šok

Oxidační stres

Quorum sensing

Osmotický šok

Chemotaxe

  

4. Život bakterií v biofilmu (PL)

Základní charakteristika a výskyt biofilmu

Fyziologie buněk v biofilmu

Extracelulární matrix

Vývoj a disperze biofilmu

Signály ovlivňující tvorbu biofilmu

Vícedruhový biofilm

 

5. Lipidy v membráně bakterií (GM)

Druhy bakteriálních lipidů (polární hlavy, mastné kyseliny, primární struktura)

Membránové modely

Neannulární lipidy

Annulární lipidy - vliv na funkci membránových proteinů

Funkce acidických fosfolipidů v membráně

Funkce fosfatidylethanolaminu v membráně

Membránové lipidy jako cíl antibiotik

 

6. Mnohobuněčnost a diferenciace u bakterií (JH)

Příklady - Bacillus subtilis, Bacillus anthracis, Myxococcus xanthus, Caulobacter crescentus, aktinobakterie

Diferenciace - buněčné typy a determinace osudu buňky

Signály spouštějící diferenciaci

Regulace heterogenity genové exprese

 

7. Neribosomální peptidová syntéza a sekundární metabolizmus (GM)

Charakteristika NRPS peptidů a princip syntézy

Základní domény syntetázy

„Tailoring“ domény

Modifikace NRPS

8. Přístupy a nové metody detekce patogenů (JJM)

Metody celogenomového sekvenování v klinické praxi.

Molekulární epidemiologie, příklady z nemocnic z České republiky.

 

9. Antibiotická rezistence a One Health koncept (VVH)

Mechanismy antibiotické rezistence a přenosu genů pro rezistenci mezi bakteriemi.

Příklady genů pro rezistenci.

Plazmidy u wt bakterií.

Vysvětlení One Health konceptu.

 

Last update: Hnilicová Jarmila, Mgr., Ph.D. (06.01.2025)

Learning outcomes

Po úspěšném absolvování předmětu Fyziologie bakterií II student:

 

• Definuje a vysvětlí základní mechanismy regulace genové exprese u bakterií a archeí, porovná metody jejich studia a zvolí nejvhodnější přístup pro řešení konkrétní vědecké otázky.
• Vysvětlí a porovná globální regulační proteiny a transkripční faktory, navrhne experimenty k identifikaci genů regulovaných těmito proteiny a interpretuje výsledky těchto experimentů.
• Porovná a rozliší odpovědi bakterií na různé typy stresu: limitaci živin (uhlík, dusík, fosfát), teplotní šok, chladový šok, oxidační stres, osmotický stres a přechod mezi aerobním a anaerobním prostředím a analyzuje jejich dopady na buněčnou fyziologii.
• Vysvětlí pojmy atenuace, ribospínač (riboswitch), sRNA, diauxie, katabolická represe, dvoukomponentový regulační systém, sigma faktor, 6S RNA, stringentní odpověď, GASP fenotyp, “growth law“, quorum sensing a interpretuje jejich úlohu v regulaci růstu, přežití a metabolismu bakterií.
• Popíše mechanismy dlouhodobého přežívání bakterií v nepříznivých podmínkách a jejich regulace.
• Popíše a interpretuje mechanismus chemotaxe a uvede příklady jeho role při vyhledávání optimálních podmínek pro růst.
• Definuje biofilm, uvede příklady jeho výskytu, vysvětlí fyziologické odlišnosti buněk v biofilmu oproti planktonnímu stavu, popíše jednotlivé fáze vývoje biofilmu v jejich logické posloupnosti a objasní význam extracelulární matrix pro ochranu a stabilitu buněk.
• Popíše význam lipidů bakteriální membrány, vysvětlí jejich fyzikální vlastnosti, analyzuje jejich interakce s membránovými proteiny a objasní jejich roli v buněčných procesech, adaptačních mechanismech a působení antibiotik.
• Definuje neribosomální peptidovou syntézu a vysvětlí její obecný význam v ekologii bakterií a interakcích s okolním prostředím.
• Uvede příklady a porovná strategie mnohobuněčnosti a diferenciace u vybraných bakteriálních druhů z hlediska přežití a kolonizace prostředí a analyzuje signály, které tyto diferenciační procesy spouštějí.
• Popíše a interpretuje využití moderních metod celogenomového sekvenování, vysvětlí základní principy molekulární epidemiologie a zhodnotí její význam pro sledování a kontrolu šíření patogenů.
• Definuje a vysvětlí fyziologické a buněčné mechanismy antibiotické rezistence, uvede konkrétní příklady a metody využívané při hledání genů a mutací zodpovědných za rezistenci.
• Vysvětlí a zdůvodní význam One Health konceptu.

Last update: Hnilicová Jarmila, Mgr., Ph.D. (17.01.2026)