Μορφή ζωής βακτηρίων

Κάψουλες και στρώματα λάσπης

Πολλά βακτηριακά κύτταρα εκκρίνουν κάποιο εξωκυτταρικό υλικό με τη μορφή κάψουλας ή λάσπης. Ένα στρώμα λάσπης συνδέεται χαλαρά με το βακτήριο και μπορεί εύκολα να ξεπλυθεί, ενώ μια κάψουλα συνδέεται σφιχτά στο βακτήριο και έχει συγκεκριμένα όρια. Κάψουλες φαίνονται κάτω από ένα ελαφρύ μικροσκόπιο τοποθετώντας τα κύτταρα σε ένα εναιώρημα μελανιού της Ινδίας. Οι κάψουλες αποκλείουν το μελάνι και εμφανίζονται ως διαυγή φωτοστέφανα που περιβάλλουν τα βακτηριακά κύτταρα. Οι κάψουλες είναι συνήθως πολυμερή απλών σακχάρων (πολυσακχαρίτες), αν και η κάψουλα του Bacillus anthracis είναι κατασκευασμένη από πολυγλουταμικό οξύ. Οι περισσότερες κάψουλες είναι υδρόφιλες («αγαπούν το νερό») και μπορούν να βοηθήσουν το βακτήριο να αποφύγει την αποξήρανση (αφυδάτωση) αποτρέποντας την απώλεια νερού. Οι κάψουλες μπορούν να προστατεύσουν ένα βακτηριακό κύτταρο από κατάποση και καταστροφή από λευκά αιμοσφαίρια (φαγοκυττάρωση). Ενώ ο ακριβής μηχανισμός διαφυγής της φαγοκυττάρωσης είναι ασαφής, μπορεί να συμβεί επειδή οι κάψουλες καθιστούν τα βακτηριακά επιφανειακά συστατικά πιο ολισθηρά, βοηθώντας το βακτήριο να ξεφύγει από την καταπόνηση από τα φαγοκυτταρικά κύτταρα. Η παρουσία κάψουλας στο Streptococcus pneumoniae είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας στην ικανότητά του να προκαλεί πνευμονία. Μεταλλαγμένα στελέχη του S. pneumoniae που έχουν χάσει την ικανότητα σχηματισμού κάψουλας προσλαμβάνονται εύκολα από λευκά αιμοσφαίρια και δεν προκαλούν ασθένεια. Ο συσχετισμός μολυσματικότητας και σχηματισμού κάψουλας βρίσκεται επίσης σε πολλά άλλα είδη βακτηρίων.

Ένα καψικό στρώμα υλικού εξωκυτταρικού πολυσακχαρίτη μπορεί να εγκλείσει πολλά βακτήρια σε ένα βιοφίλμ και εξυπηρετεί πολλές λειτουργίες. Το Streptococcus mutans, που προκαλεί τερηδόνα, διαχωρίζει τη σακχαρόζη στα τρόφιμα και χρησιμοποιεί ένα από τα σάκχαρα για να φτιάξει την κάψουλα της, η οποία κολλάει καλά στο δόντι. Τα βακτήρια που παγιδεύονται στην κάψουλα χρησιμοποιούν το άλλο σάκχαρο για να τροφοδοτήσουν το μεταβολισμό τους και παράγουν ένα ισχυρό οξύ (γαλακτικό οξύ) που προσβάλλει το σμάλτο των δοντιών. Όταν το Pseudomonas aeruginosa αποικίζει τους πνεύμονες ατόμων με κυστική ίνωση, παράγει ένα παχύ καψικό πολυμερές αλγινικού οξέος που συμβάλλει στη δυσκολία εξάλειψης του βακτηρίου. Τα βακτήρια του γένους Zoogloea εκκρίνουν ίνες κυτταρίνης που προκαλούν τα βακτήρια σε ένα κροτάρι που επιπλέει στην επιφάνεια του υγρού και κρατά τα βακτήρια εκτεθειμένα στον αέρα, απαίτηση για το μεταβολισμό αυτού του γένους. Μερικά βακτήρια σε σχήμα ράβδου, όπως το Sphaerotilus, εκκρίνουν μακρά χημικά πολύπλοκα σωληνοειδή θηκάκια που περικλείουν σημαντικό αριθμό βακτηρίων. Οι θήκες αυτών και πολλών άλλων περιβαλλοντικών βακτηρίων μπορούν να επιστρωθούν με οξείδια σιδήρου ή μαγγανίου.

Flagella, fimbriae και pili

Πολλά βακτήρια είναι κινητά, ικανά να κολυμπούν μέσω υγρού μέσου ή να γλιστρούν ή να συρρέουν σε μια στερεή επιφάνεια. Τα βακτήρια κολύμβησης και σμήνους διαθέτουν μαστίγια, τα οποία είναι τα εξωκυτταρικά εξαρτήματα που απαιτούνται για κινητικότητα. Τα μαστίγια είναι μακρά, ελικοειδή νήματα κατασκευασμένα από έναν μοναδικό τύπο πρωτεΐνης και βρίσκονται είτε στα άκρα των κυττάρων σε σχήμα ράβδου, όπως στο Vibrio cholerae ή στο Pseudomonas aeruginosa, ή σε όλη την κυτταρική επιφάνεια, όπως στο Escherichia coli. Η μαστίγια μπορεί να βρεθεί τόσο σε gram-θετικές όσο και σε gram-αρνητικές ράβδους, αλλά είναι σπάνιες στους κόκκους και παγιδεύονται στο αξονικό νήμα των σπιροχέτων. Το μαστίγιο συνδέεται στη βάση του με ένα βασικό σώμα στην κυτταρική μεμβράνη. Η κινητήρια δύναμη που δημιουργείται στη μεμβράνη χρησιμοποιείται για να γυρίσει το νηματοειδές νήμα, με τον τρόπο ενός στροβίλου που οδηγείται από τη ροή ιόντων υδρογόνου μέσω του βασικού σώματος μέσα στο στοιχείο. Όταν τα μαστίγια περιστρέφονται αριστερόστροφα, το βακτηριακό κύτταρο κολυμπά σε ευθεία γραμμή. Η περιστροφή δεξιόστροφα οδηγεί σε κολύμβηση στην αντίθετη κατεύθυνση ή, εάν υπάρχουν περισσότερα από ένα μαστίγια ανά κελί, σε τυχαία ανατροπή. Η χημειοταξία επιτρέπει σε ένα βακτήριο να προσαρμόζει τη συμπεριφορά κολύμβησης ώστε να μπορεί να αισθανθεί και να μεταναστεύσει σε αυξανόμενα επίπεδα μιας ελκυστικής χημικής ουσίας ή μακριά από ένα απωθητικό.

Όχι μόνο τα βακτήρια μπορούν να κολυμπήσουν ή να γλιστρήσουν σε πιο ευνοϊκά περιβάλλοντα, αλλά έχουν επίσης προσαρτήματα που τους επιτρέπουν να προσκολληθούν στις επιφάνειες και να απομακρυνθούν από τη ροή υγρών. Ορισμένα βακτήρια, όπως το E. coli και το Neisseria gonorrhoeae, παράγουν ευθείες, άκαμπτες, ανθεκτικές προεξοχές που ονομάζονται fimbriae (λατινικά για «κλωστές» ή «ίνες») ή pili (λατινικά για «τρίχες»), που εκτείνονται από την επιφάνεια του βακτηρίου και συνδέονται με συγκεκριμένα σάκχαρα σε άλλα κύτταρα - για αυτά τα στελέχη, τα επιθηλιακά κύτταρα του εντέρου ή του ουροποιητικού συστήματος, αντίστοιχα. Οι Fimbriae υπάρχουν μόνο σε gram αρνητικά βακτήρια. Ορισμένα pili (που ονομάζονται sex pili) χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν σε ένα βακτήριο να αναγνωρίσει και να προσκολληθεί σε ένα άλλο σε μια διαδικασία σεξουαλικού ζευγαρώματος που ονομάζεται σύζευξη (βλ. Παρακάτω Βακτηριακή αναπαραγωγή). Πολλά υδρόβια βακτήρια παράγουν ένα όξινο βλεννοπολυσακχαρίτη, το οποίο τους επιτρέπει να προσκολλώνται σφιχτά σε βράχους ή άλλες επιφάνειες.