ALGAE, FUNGI, PROTOZOA andMULTICELL PARASITES

Marlia Singgih Wibowo

Questions

• What is eucaryotic microorganisms?

• What is the difference between procaryotic cells and eucaryotic cells?

• Unicellular? Multicellular?

• What is “FUNGI”?

• What is “saphrophyte” ?

• What is “Biotransformation”?

• Primary metabolites and secondary metabolites of fungi?

• What is “fermentation”?

• Spores vs mycelium?

• Sexual and Asexual reproduction?

• What is Mycotoxin?

• What is “Budding”?

Outline• Introduction : eucaryotic mikroorganisms• FUNGI : Classification, growth, and reproduction, role of fungi in nature and pharmacy fields 

• ALGAE : Classification, growth, and reproduction, role of fungi in nature and pharmacy fields 

• PROTOZOA : Classification, growth, and reproduction, role in nature and pharmacy fields 

• MULTICELLULAR PARASITES : Classification, growth, and reproduction, role in nature and pharmacy fields 

References• Farmakope Indonesia edisi IV, 1995.• USP 27, 2004.• TGA, Australia, 2002.• Denyer SP, Baird RM, Guide to Microbiological Control in 

Pharmaceuticals, Ellis Horwood, New York, 1990.• Denyer S.P., Hodges N.A., Gorman S.P., (Eds.), Hugo and Russell’s 

Pharmaceutical Microbiology, 7th ed., Blackwell Science Ltd., Massachusetts, 2004.

• Baird R.M., Hodges N.A., Denyer S.P., (Eds.), Handbook of Microbiological Quality Control : Pharmaceuticals and Medical Devices, CRC Press, Boca Raton, 2000.

• Barnett, Microbiology  Laboratory Exercise, Wm.C.Brown Publ., Dubuque, 1992

• Aszalos, A., Modern Analysis of Antibiotics, Marcel Dekker Inc., New York, 1986.

• Baird R M., Handbook of Microbiological Quality Control : Pharmaceuticals and Medical Devices, CRC Press, London, 2000.

• Neidleman S.I, and Laskin A.I., Advances in Applied Microbiology, Academic Press, New York, 1997.

• Stanbury PF, Whitaker A, Principles of Fermentation Technology, Pergamon Press, Oxford, 1995.

• Ward OP, Fermentation Biotechnology : Principles, Process and Product, John Wiley & Sons, Chichester, 1989.

• Demain A.L., and Solomon N.A.(Eds.), Biology of Industrial Microorganisms, The Benjamin/Cumming Publ.Co.,Inc., London, 1985.

• Demain A.L., and Solomon N.A.(Eds.), Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, American Soc. For Microbiology, Washington DC, 1986.

• Pelczar, M.J., et al., Microbiology, Concepts and Applications, McGraw Hill,Inc., New York, 1993.

• Madigan, M.T., et al., Brock Biology of Microorganisms, 8th ed., Prentice Hall Int.Inc., 1997 and  new edition.

• Prave, P. et al.(ed), Basic Biotechnology : a Student’s guide, VCH, New York, 1987

• Neidleman S.I, and Laskin A.I., Advances in Applied Microbiology, Academic Press, New York, 1997.

• Deacon J.W, Modern Mycology, 3rd ed., Blackwell Science, Edinburgh, 1997

• Dan lain‐lain

Deacon J.W, Modern Mycology, 3rd ed., Blackwell Science, Edinburgh, 1997

Introduction

• Type of microorganism : eucaryotes cells• What the difference between eucaryotic and procaryotic cells?

• Domain of eukarya including : animals, plants, slime moulds, protozoa, parasites

• Classification is based on : morphology, DNA sequence analysis, ribosomal RNA sequence analysis, etc.

Eucaryotic Microorganisms

• Unicellular (bersel tunggal) dan Multicellular (bersel banyak)

• FUNGI• ALGAE• PROTOZOA• PARASITES ( MULTICELLULAR)

Cyanobacteria

GrampositivesProteobacteria

Fungi

PlantsExtremeHalophilesMethanosarcina

Universal phylogenetic tree as determined from comparative sequencing of 16S or 18S rRNA (Wheelis et al. 1992).

Three Domains of Life

Bacteria Archaea

Eucarya (Eukaryote)

Prokaryotes

Microsporidia

AnimalsGreen non-sulfurbacteria

Flavobacteria

Thermotoga

Methanobacterium

MethanococcusPyrodictium

Thermoproteus

Slimemolds

Entamoebae

Ciliates

Flagellates

Trichomonads

Diplomonads

Thermococcus

Aquifex

Chloroplast

Mitochondrion

Thermoplasma

Methanopyrus

EuryarchaeotaCrenarchaeota

Korarchaeota

Characteristic of eukaryotic microorganisms

• Definite cell walls (except for aquatic fungiand cellular slime moulds)

• Nuclei with membranes • Genetic Information inside the nucleus and contains more than one chromosome

• Respiration in mitochondria• Chloroplast for photosynthesis• Movement by cilia atau flagella (stop kul 2)

FUNGI

FUNGI

• Terms : Fungus (singular)Fungi (plural)                Jamur (Ind.)

• Mould (Kapang)• Yeast  (Ragi= khamir)• Mushroom (Jamur besar)

FUNGI

FUNGI

Saccharomyces cereviseae Candida albicans

FUNGI

Fusarium sp. Aspergillus sp.

Penicillium sp.

Taxonomy of Fungi (Alexopoulos, 1996)

Recent names Previous namesOomycota OomycetesChytridiomycotaChytridiomycetes        Lower fungiZygomycota ZygomycetesAscomycota AscomycetesDeuteromycota Deuteromycetes, 

Deuteromycotina,  Higher fungiFungi Imperfecti

Basidiomycota Basidiomycetes, Basidiomycotina

Role of Fungi Positive Role :

• Industrial Microorganisms : drug raw material,  growth promoter, enzymes for food industry, etc.

• Saprophyte : decomposer • Analytical tools :  mikroorganisms for test• Biotransformation (jasa) : hormon• Research : bioinformatic

Negative Role:• Parasites on plants, animals, human, (cause of diseases)

• Deterioration of many products (food, drinks, households, cosmetics, etc.)

How to use Fungi?

• Biomasa • Primary Metabolites • Secondary Metabolites • Enzymes• Bioinformatics• Biotransformation

Some fungi in Industry

Field Product Source UsagePharmacy Penicillin P.chrysogenum antibacteria

Griseofulvin P.griseofulvumantifungiCyclosporin Trich.polysporum immunosuppresant

Agriculture Zealarenone Gibberella zeae growth promoterGibberellins G.fujikuroi plants hormon 

Industry Amylase Asp.oryzae, niger degradation of amilum

Lipase Mucor, Aspergillus degradation of lipid

Morphology

• Filamentous fungi = moulds‐ Hyphae                mycelium‐ Producing spores (sexual and asexual)‐ Growth on tips (apical) of hyphae

• Yeast = Ragi (Ind.)‐ Form “budding”‐ Self deviding reproduction

Characteristic of Fungi• Nutrition : Heterotroph• No photosynthesis (saprophyte or parasite)• Cell wall : contains chitin (kitin) dan chitosan (kitosan)• Nucleus : mostly haploid, some are diploid• Histone : Histone 2B (similar to animal)• Lysin : Syntesized by AAA biosynthesis pathway• Mitochondria : disc‐shape • Storage compounds : glicogen, lipid, trihalose• Sterol : ergosterol• Ribosome : 18s rRNA

Differences between mould and yeast Characteristic Mould Yeast

1. Cell size 5 – 30 m 4 m(e.g Candida)

2. Growth form Form hyphae Budding system /mycelium

3. Cell wall component chitin, glucan chitin and glucan invarious conc.

4. Spores with Pigment mostly colourless

5. Protein content 10% 6%

6. Glucosamine content 28% 33%

7. Nucleus mostly haploid can be haploid/diploid

Moulds‐Filamentous Fungi (Kapang)

• Hyphae with protoplasmic cylinder  form surrounded by cell walls  

• Diameter of hyphae : 2 – 18 μm• Hyphae consists of several compartments separated by septa (septum), but some have no septa

• Inside one compartment : consists of one or two nucleus, dan aktivitas protoplasma terpusat pada daerah ujung hifa (disebut daerah apex = apical region)

Moulds‐Filamentous Fungi (Kapang)

• Apical end with 50 nm thickness , cell‐walls with range up to 125 nm thickness.

• Apical end contains numerous of organell, and at tip area have a lot of AVC = apical vesicle cluster,  which have an important role in mould growth 

• If the old hyphae lysed (lysis), pores of septa will be filled by such proteins called Woronin bodies and the septa will be rigidly closed

Structure of Moulds

Hyphae structure Hyphae under electron microscope

Yeast (Ragi)

• Unicellular• Some yeast have Dimorf properties (the morphology changed due to environment condition, such as temperature, etc.)

• Each cell has one nuclues and several organell• Big Vacuola • Reproduction with “budding” system : bipolar or multipolar

Structure of Yeast

Budding of Yeast

Fungi as eucaryotic cells

• NUCLEUS : contains the genome of cells• DNA within the nucleus is wound around histone to form nucleosomes and then chromosomes

• Nucleus is enclosed by a pair of membranes, separated by a space. The inner membrane is a simple sac, while the outer is in many places continuous with the ER. 

Eukaryotic cell

• The nuclear membrane also contains pores, formed from holes where the inner and outer membrane are joined

• The pore’s function : transport proteins and nucleic acids into and out of the nucleus (called : nuclear transport)

• Nucleolus : inside the nucleus, is the site of ribosomal RNA synthesis

• Ribosomal proteins synthesized in cytoplasm and transported into nucleolus and combined with ribosomal RNA to form the small and large subunits of eukaryotic ribosome

Nucleus of yeast cell under electron microscope

Mitochondria• Mitochondrion (singular) is energy‐generating organelles of eukaryotic cells.

• For respiration and oxidative phosphorylation• Can be rod‐shape or shperical• Animal contain over 1000 mitochondria, yeast have fewer 

• Mitochondria are surrounded by two membranes. The outer membrane composed of an equal mixture of protein and lipid, relatively permeable. The inner membrane is more protein and less permeable

• Lack of sterols, so are much less rigid• Posses a series of folded internal membranes called CRISTAE, sites of enzymes involved in respiration and ATP production

Mitochondria

• Some anaerobic eukaryotic microorganisms lack mitochondria, instead : Hydrogenosome.

• Examples : Trichomonas (parasites)• Function : Oxidation of pyruvate to H2, CO2and acetate

Hydrogenosome

Endoplasmic Reticulum and Golgi 

• ER is a network of membranes continuous with nuclear membrane

• Rough ER attached ribosomes, Smooth ER for lipid synthesis and carbohydrate metabolism

• Golgi complex consists of a stack of membranes distinct from ER.  Product of ER are chemically modified and sorted to be secreted (for example: glycosylation)

Golgi complex of Toxoplasma gondii

Lysosome and Peroxisomes

• Lysosomes contain various digestive‐enzymes to digest macromolecules, such as proteins, fats and polysaccharides

• Peroxisomes produce hydrogen peroxide (H2O2) from the reduction of O2 by various hydrogen donors. 

Reproduction system• Asexual

‐ yeast forms spores in sporangiosporeswhile moulds forms spores in conidia. Function: for dispersal purposes (penyebaran)

• Sexual‐ Sexual Reproduction occurs when haploid gamet fused to form zygote‐ Zygote enter into meiosis (pembelahan) process to formsexual haploid spores. Function: for  survival in ‘dormant’ form

Conidia (spores)

Conidiophore

Asexual Spores

• Non‐motile : Zygomycota• Move with one flagella : Chytridiomycota• Move with two flagella : Oomycota• Ascomycota, Deuteromycota and Basidiomycota never form sporangium, and have no flagella. They reproduce by budding system, fragmentation, etc

Sexual spores

• ‘Lower fungi’ usually have clear sexual organ while in ‘higher fungi’  their sexual organ are  not definite, only fusion of somatic (non‐reproductive) hyphae

• Sexual Spores play a role on ‘dormant’ form for survival (oospores, zygospores, ascospores)

Yeast cells

Oomycota(Water molds)

• Phytophtora (a)• Saprolegnia (b), (c)• Pythium (d)• Habitat : Aquatic• Sexual spores : oospore

Phytophtora infestansIs a pathogenic fungi forpotatoes

(a)

(b)(c)

(d)

Chytridiomycota

• Allomyces (a)• Rhizophlyctis (b)• Olpidium (c)

Mostly saprophyte

Zygomycota(Bread molds)

• Mucor (a)• Entomophthora (b)• Pilobolus (c)• Erynia (b)• Piptochepalis (d)• Rhizopus• Habitat : soil, decaying 

plant material• Sexual spores : zygospore

(a)

(b) (c)(d)

Ascomycota(Sac fungi)

• Neurospora (a)• Eurotium (d)• Ascobolus (c)• Saccharomyces• Pneumocystis• Habitat : soil, decayingplant material

• Sexual spores: ascospores 

(a)

(b) (c) (d)

Deuteromycota(Fungi imperfecti)

• Alternaria, Aspergillus• Cladosporium• Geotrichum, Humicola• Penicillium, Phomopsis• Pesotum, Fusarium• Trichoderma, Candida• Habitat : soil, surface ofanimal bodies

Basidiomycota(mushroom)

• Agaricus (a)• Lycoperdon (b)• Ganoderma (c)• Puccinia (d)• Amanita

Pathogenic Fungi

Fungi causes diseases pada skin surface or topical (Superficial mycoses) Fungi causes diseases on subkutan layer (Subcutaneous mycoses) Fungi causes diseases inside the human body or sistemic system (Deep or sistemic  mycoses)

Mycotoxin (Mikotoksin)

• Mycotoxin is fungal secondary metabolites which is secreted for survival purposes against other microorganisms or other organisms 

• Main entrance for pathogenic fungi attacking human is though oral cavity or inhalation or through mucose adhesion or lesion contact.

Oportunist Fungi

• Fungi that caused serious diseases due to other diseases  

• Candida albicans is one sample of oportunistfungi, in certain condition

• Cryptococcus neoformans• Aspergillus flavus, parasiticus

Detection of toxigenic fungi

• Identification by microscope• Microbiological analysis• Immunochemistry• Molecular methods

Some methods for pathogenic fungi detection

• Microsporon, Trichophyton, Epidermophyton, Sporotrichum, can be cultured on Sabouraudmedium agar

• Candida albicans on object glass , add 10% KOH, observed under microscope : mycelium produced

• To differentiate Candida with other non-pathogenic yeasts : use selective media (corn-meal agar)