Gram-negatif bakteriler, Gram-pozitif bakterilerin aksine, bakteri farklılaşması için Gram boyama tekniğinde kullanılan kristal menekşe lekesini tutamamalarıyla karakterize edilir. Hücresel mimarilerinin tanımlayıcı bir özelliği, bir iç (sitoplazmik) zar ile bir dış zar arasında yer alan ince bir peptidoglikan hücre duvarını içeren bir zarftır. Bu mikroorganizmalar her yerde bulunur ve dünya genelinde farklı ortamlarda yaşar.
Bu sınıflandırmadaki öne çıkan türler, model organizma Escherichia coli'nin yanı sıra Pseudomonas aeruginosa, Chlamydia trachomatis ve Yersinia pestis gibi çeşitli patojenik bakterileri kapsar. Bu bakteriler, öncelikle çok çeşitli antibiyotiklere (örneğin penisilin), tipik olarak iç hücre zarına zarar veren deterjanlara ve hayvanın doğuştan gelen bağışıklık sisteminin bir bileşeni olan antimikrobiyal enzim lizozimine karşı direnç sağlayan dış zarları nedeniyle önemli tıbbi zorluklar sunar. Ayrıca, bu zarın dış yaprağı, kompleks bir lipopolisakarit (LPS) özelliğine sahiptir; burada lipit A kısmı, konakçı bağışıklık hücreleri tarafından bakteriyel lizis üzerine toksik bir tepki ortaya çıkarabilir. Böyle bir reaksiyon, hipotansiyon, solunum yetersizliği, azalan oksijen perfüzyonu ve laktik asidoz ile karakterize septik şoku hızlandırabilir.
Aminopenisilinler, üreidopenisilinler, sefalosporinler, beta-laktam/beta-laktamaz inhibitör kombinasyonları (örn. piperasilin-tazobaktam), folat antagonistleri, kinolonlar ve karbapenemler. Bu antimikrobiyal ajanların önemli bir kısmı aynı zamanda Gram-pozitif bakterilere karşı da etkinlik göstermektedir. Gram negatif organizmaları hedeflemek için özel olarak tasarlanan antibiyotikler arasında aminoglikozidler, monobaktamlar (ör. aztreonam) ve siprofloksasin yer alır.
Ayırt Edici Özellikler
Geleneksel Gram-negatif (LPS-diderm) bakteriler aşağıdaki özellikleri sergiler:
- İç (sitoplazmik) hücre zarının varlığı.
- Gram-pozitif bakterilerde oldukça kalın olan ince bir peptidoglikan tabakasına sahip olma.
- Dış yaprakçığı lipopolisakkaritlerden (LPS, lipid A, çekirdek polisakarit ve O antijeninden oluşur) ve iç yaprakçığı fosfolipitlerden oluşan bir dış zara sahiptir.
- Dış zar içinde, belirli moleküller için seçici kanallar olarak işlev gören porinlerin varlığı.
- Dış ve sitoplazmik zarlar arasında yer alan, konsantre jel benzeri bir maddeyle doldurulmuş periplazmik bir boşluk.
- S-katmanının peptidoglikandan farklı olarak dış zara doğrudan bağlanması.
- Flagella, mevcut olduğunda, diğer bakteri türlerinde tipik olarak bulunan iki halkanın aksine, dört destek halkasıyla karakterize edilir.
- Teikoik asitlerin veya lipoteikoik asitlerin bulunmaması.
- Lipoproteinler polisakkarit omurgasına kovalent olarak bağlıdır.
- Bazı türler, dış zar ile peptidoglikan zinciri arasında kovalent bir bağlantı oluşturan Braun lipoproteinine sahiptir.
- Nadir istisnalar dışında bu bakterilerin çoğunluğu spor oluşumu göstermez.
Bununla birlikte LPS-diderm grubu (daha önce "Hidrobakteriler" olarak adlandırılan Pseudomonadati krallığıyla aynı hizadaydı), Gram negatif boyama tepkisi sergileyen tek bakteri kategorisini temsil etmiyor. Örneğin, Mycobacterium (veya daha doğrusu Mycobacteriales'in çoğu üyesi), bu grupta sınıflandırılmasa da, bağımsız olarak bir dış hücre zarı ve mikolik asitten oluşan bir hücre duvarı geliştirmiştir. Bu farklı bileşim, benzersiz yapısal ve işlevsel özellikler kazandırır.
Çok sayıda Gram-negatif bakteri içinde, IgaA membran proteini, hücre zarı bütünlüğünü korumak için gerekli olan zarf stres tepkisi için kritik bir yol olan Rcs fosfor taşıyıcı sistemi üzerinde negatif düzenleme uygular.
Taksonomik Sınıflandırma
Hücresel morfolojinin yanı sıra Gram boyama, hızlı bir teşhis tekniği olarak hizmet eder ve tarihsel olarak bakteri türlerini alt bölüm düzeyinde sınıflandırmak için kullanılmıştır. Tarihsel olarak Monera krallığı, Gram boyama sonuçlarına göre dört bölüme ayrılmıştır: Firmicutes (Gram pozitif), Gracillicutes (Gram negatif), Mollicutes (Gram nötr) ve Mendocutes (Gram değişken). Ancak 1987'den beri yürütülen moleküler araştırmalar Gram-negatif bakterilerin monofiletik doğasını çürütmüştür.
Çağdaş anlayış Gram-negatif bakterileri iki ana gruba ve birkaç geçiş formuna ayırır. LPS dış zarıyla karakterize edilen "geleneksel" Gram negatif bakteriler ortak bir atayı paylaşır ve Pseudomonadati krallığında sınıflandırılır. Mycobacteriales takımına ait daha az geleneksel formlar, mikolik asit hücre duvarına ve bir dış zara sahiptir. Hem krallık hem de takım monofiletik olarak kabul edilirken, daha geniş "LPS-diderm" ve "mikolik-diderm" gruplamaları böyle değildir, çünkü bu sınıflandırmalardaki bazı bakteriler Gram negatif boya sergilemez.
Sınıflandırma
Bakteri sınıflandırması tarihsel olarak organizmaları Gram-pozitif ve Gram-negatif gruplara ayıran Gram boyama reaksiyonuna dayanıyordu. Tek bir zara sahip olan Gram-pozitif bakterilere ayrıca monoderm bakterileri adı verilirken, iki zarla karakterize edilen Gram-negatif bakterilere diderm bakterileri adı verilir. Tarihsel olarak, bu grupların farklı evrimsel soyları temsil ettiği varsayılmıştır; bu, ek membran için tekil bir kökene ve Gram-negatif bakteriler arasında Gram-pozitif muadillerine kıyasla daha yakın bir filogenetik ilişkiye işaret etmektedir. Bu genellikle doğru olsa da, filogenetik gruplamaların boyama sonuçlarından sapması nedeniyle sınıflandırma sistemi zaman zaman bocalıyor. Sonuç olarak Gram boyama bakteriyel ailesel ilişkileri değerlendirmede güvenilir bir yöntem değildir. Bununla birlikte boyama prosedürü, dış lipid membranın varlığı veya yokluğu arasında ayrım yaparak hücre zarı bileşimine ilişkin sıklıkla doğru veriler sağlar.
Yapısal olarak farklı olan bu iki prokaryotik grup arasında, monoderm prokaryotların atadan kalma olduğu varsayılır. Gram-pozitif bakterilerin artan antibiyotik duyarlılığı ve Gram-negatif bakterilerin genel antibiyotik direnci dahil olmak üzere çeşitli gözlemler, Gram-negatif bakterilerdeki (didermler) dış hücre zarının, antibiyotik seçici basınca karşı koruyucu bir adaptasyon olarak geliştiği önermesine yol açmıştır. Deinococcus gibi, kalın bir peptidoglikan tabakası nedeniyle Gram-pozitif bir leke sergileyen ancak aynı zamanda bir dış hücre zarına da sahip olan belirli bakteriler, monoderm (Gram-pozitif) diderm (Gram-negatif) bakterilere evrimsel geçişte potansiyel ara ürünler olarak kabul edilir.
Gram-negatif bakterilerin geleneksel LPS-diderm grubu, aşağıdaki filumları kapsar: Pseudomonadota, Aquificota, Chlamydiota, Bacteroidota, Chlorobiota, Cyanobacteria, Fibrobacterota, Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Spirochaetota ve acidobacteriota, HSP60 (GroEL) proteini içindeki spesifik korunmuş imza indelleri (CSI'ler) ile benzersiz bir şekilde karakterize edilir. Bu CSI'nin, geleneksel lipopolisakarit içeren Gram-negatif bakteri filumlarının tüm sıralı türlerinde tutarlı varlığı, bu filumların monofiletik bir dal oluşturduğunu ve bu grup içindeki hiçbir türün dış zarının kaybına uğramadığını gösterir. Sonuç olarak, bu organizmalar daha önce "Hidrobakteriler" olarak bilinen Pseudomonadati krallığı altında kategorize edildi.
Karmaşıklık, aynı zamanda diderm yapısı sergileyen diğer taksonlarda da ortaya çıkıyor.
- İlk grup parafiletiktir ve Bacillota filumunun (bir monoder grubu) bileşenleri veya yakından ilişkili dallar olan Negativicutes, Fusobacteriota, Synergistota ve Elusimicrobiota dahil olmak üzere çeşitli taksonlardan oluşur. Bu organizmalar, yukarıda belirtilen gruptan hariç tutulduklarını doğrulayan GroEL CSI imzasına sahip değildir. Bazı üyelerin, net bir lekeyi önleyen yalnızca çok ince bir lipopolisakkarit tabakasına sahip olan monoderler olduğu varsayılmaktadır. Diğer üyeler daha karmaşık yapısal düzenlemeler sergiliyor.
- İkinci grup, klinik açıdan önemli Mycobacterium cinsinden oluşur ve Mycobacteriales takımının çoğu üyesini kapsar. Bu organizmalar CSI'dan yoksundur ve mikolik asitten oluşan ayrı bir hücre duvarına sahiptir.
Açıklayıcı Türler
Proteobakteriler, E. coli gibi organizmaları kapsayan, Gram-negatif bakterilerin önde gelen bir süperfilumunu temsil eder. coli, Salmonella, Shigella, diğer Enterobacteriaceae, Pseudomonas, Moraxella, Helicobacter, Stenotrophomonas, Bdellovibrio, asetik asit bakterileri ve Legionella ve diğerleri. Gram negatif bakterilerin diğer önemli kategorileri arasında siyanobakteriler, spiroketler ve yeşil kükürt bakterileri yer alır.
Tıbbi açıdan önemli Gram-negatif diplokoklar, cinsel yolla bulaşan bir enfeksiyona neden olan Neisseria gonorrhoeae dahil olmak üzere birçok türü kapsar; Menenjitten sorumlu Neisseria meningitidis; ve solunum semptomlarıyla ilişkili Moraxella catarrhalis. Ek olarak, kokobasil Haemophilus influenzae de klinik açıdan önemli bir başka kokkal formu temsil eder.
Tıbbi açıdan önemli Gram-negatif basillerin çeşitli bir dizisi mevcuttur ve çeşitli türler farklı klinik sorunlara neden olur. Bunlar arasında Klebsiella pneumoniae, Legionella pneumophila ve Pseudomonas aeruginosa gibi solunum koşullarından birincil olarak sorumlu olan bakteriler bulunur. Escherichia coli, Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae ve Serratia marcescens dahil olmak üzere diğerleri ağırlıklı olarak idrar yolu enfeksiyonlarıyla bağlantılıdır. Ayrıca, başta Helicobacter pylori, Salmonella enteritidis ve Salmonella typhi olmak üzere çeşitli türlerin mide-bağırsak sorunlarına neden olduğu bilinmektedir.
Hastane kaynaklı enfeksiyonlarda sıklıkla rol oynayan Gram-negatif bakteriler arasında Acinetobacter baumannii yer alır. Bu patojenin, özellikle yoğun bakım ünitelerinde bakteriyemiye, sekonder menenjite ve ventilatörle ilişkili pnömoniye neden olduğu bilinmektedir.
Bakteri Dönüşümü
Dönüşüm, eksojen genetik materyalin bakteriler arasında aktarıldığı bir süreç olan yatay gen aktarımı için üç ana mekanizmadan birini oluşturur. Diğer iki mekanizma, genetik materyal değişimi için bakteri hücreleri arasında doğrudan teması içeren konjugasyon ve yabancı DNA'nın bir bakteriyofaj virüsü tarafından konakçı bakteriye enjeksiyonunu gerektiren transdüksiyondur. Buna karşılık bakteriyel transformasyon, genetik materyalin hücre dışı ortamdan geçişini içerir ve alımı tamamen alıcı bakteriye bağlıdır.
2014 yılına gelindiğinde yaklaşık 80 bakteri türünün transformasyon yeteneğine sahip olduğu kabul edildi; Gram pozitif ve Gram negatif türleri arasında neredeyse eşit bir dağılım vardı; ancak bazı raporlar tekil çalışmalara dayandığından bu rakam abartılı olabilir. Transformasyon, Helicobacter pylori, Legionella pneumophila, Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae ve Vibrio cholerae dahil olmak üzere klinik açıdan önemli Gram-negatif bakterilerde kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Araştırma ayrıca bu süreci Pseudomonas stutzeri ve Acinetobacter baylyi gibi Gram-negatif toprak bakterilerinin yanı sıra Ralstonia solanacearum ve Xylella fastidiosa gibi Gram-negatif bitki patojenlerinde de araştırdı.
Hastalıktaki Rolü
Gram-negatif bakterilerin ayırt edici bir özelliği, dış zarlarının benzersiz mimarisidir. Bu zarın dış yaprağı lipopolisakkaritten (LPS), özellikle de endotoksin işlevi gören lipit A bileşeninden oluşur. Gram-negatif bakterilerin dolaşım sistemine erişmesi durumunda LPS, güçlü bir doğuştan gelen bağışıklık tepkisi başlatabilir, bu da bağışıklık sisteminin aktivasyonuna ve hormonal düzenleyiciler olan sitokinlerin üretimine yol açabilir. Bu basamak iltihaplanma ile sonuçlanır ve ateş, artan solunum hızı ve hipotansiyon ile karakterize edilen toksik bir reaksiyonu hızlandırabilir. Sonuç olarak, bazı Gram-negatif bakteriyel enfeksiyonların yaşamı tehdit eden septik şoka ilerleme potansiyeli vardır.
Dış zar, Gram-negatif bakterilere, tipik olarak iç zarın veya peptidoglikan hücre duvarının bütünlüğünü tehlikeye atabilecek çeşitli antibiyotiklere, boyalara ve deterjanlara karşı koruma sağlar. Bu dış tabaka aynı zamanda lizozim ve penisilin direncini de sağlar. Ayrıca, iki hücre zarı arasında yer alan periplazmik boşluk, antibiyotikleri parçalayabilen veya değiştirebilen enzimleri barındırır. Gram-negatif enfeksiyonlar için yaygın terapötik ajanlar arasında ampisilin, amoksisilin, piperasilin ve tikarsilin gibi amino, karboksi ve üreido-penisilinler bulunur. Bu penisilinler sıklıkla periplazmik boşlukta bulunan ve bu ilaçları hidrolize edebilen beta-laktamaz enzimlerine karşı koymak için beta-laktamaz inhibitörleriyle birlikte uygulanır. Gram-negatif bakterilere karşı etkili olan ek antimikrobiyal sınıflar arasında sefalosporinler, monobaktamlar (ör. aztreonam), aminoglikozitler, kinolonlar, makrolidler, kloramfenikol, folat antagonistleri ve karbapenemler yer alır.
Yazım: Büyük Harf Kullanımı
Gram-pozitif ve Gram-negatif sıfatları Danimarkalı bakteriyolog Hans Christian Gram'ın soyadından gelmektedir. İsim veren sıfatlar olarak, söz konusu belgeyi yöneten spesifik stil kılavuzuna (örneğin CDC'ninki) bağlı olarak ilk harf G büyük harfle yazılabilir veya küçük harfle yazılabilir.
Otomatik chaperone
- Otoşaperon
- Gram değişkenli ve Gram belirsiz bakteriler
- OMPdb (2011)
- Dış zar reseptörü
Notlar
- Ellie Wyithe Gram-negatif bakterisinin iç zarlarındaki proteinlerin 3 boyutlu yapıları