Aula 1 - Evolução e Filogenia Microbianas. Archaea.pdf
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Microbiologia Avançada/ Microbiologia II 2013.2014
Conteúdos Programáticos: Evolução e filogenia microbiana Sistemática microbiana. Taxonomia clássica, numérica e molecular Domínio Bacteria e Archaea Fungos: classificação, características, distribuição e ecologia. Importância médica, industrial, económica e ambiental Diversidade microbiana em ecossistemas aquáticos. Algas: características, distribuição e estratégias de sobrevivência. Bactérias fotossintéticas oxigénicas e anoxigénicas. Bactérias formadoras de prosteca Comunicação e interacção microbiana. Formação de biofilmes Diversidade microbiana em ecossistemas terrestres. Bactérias formadoras de endósporos. Actinomicetas Interacções m.o/outros organismos. Micorrizas. Rizobia/leguminosas. Agrobacterias/dicotiledóneas O papel dos microorganismos nos ciclos biogeoquímicos dos elementos.
Microbiologia Avançada/ Microbiologia II 2012.2013
Avaliação: I. Avaliação Contínua - 2 frequências teóricas: 50% - avaliação das aulas práticas: 50% • NOTAS:
– A classificação de cada uma das frequências teóricas tem que ser superior a 8.0 (oito) valores.
– Os alunos não poderão ter uma nota inferior a 9,5 valores em nenhuma destas componentes (teórica e prática)
– A avaliação terá em consideração as presenças e o desempenho durante as aulas.
– A aprovação na disciplina de Microbiologia II obriga a aprovação na componente prática.
– A não aprovação à componente prática obriga à repetição das componentes teórica e prática no semestre lectivo seguinte.
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Evolução e filogenia microbiana
“Earth is a microbial planet – always has been, and always
will be”
(Knoll et al., 2011, Microbe, 6 (2): 75-78
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
3.8 biliões de anos aparecimento de entidades com capacidade replicativa (RNA)
- mutações - recombinação génica - selecção natural Evolução de novos organismos Processos geoquímicos (Novos microhabitats)
Diversidade microbiana
Evolução e Filogenia Microbianas
O mundo do RNA • RNA “1º polímero da vida” Molécula com capacidade
auto-replicativa: - contém informação genética - capacidade catalítica
Etapas evolutivas no Mundo do RNA:
1. formação de nucleótidos
2. formação de moléculas de RNA
3. replicação do RNA
4. RNAs com actividade catalítica ( síntese proteica?)
5. sequência de RNA proteínas
6. evolução para DNA: > estabilidade; < Energia
Evolução e Filogenia Microbianas -ACV
primeiros fósseis microbianos:
parede celular e envelope
lípidos
camadas de organismos filamentosos
aprisionados em sedimentos estruturas tri-
dimensionais (Stromalites: 3,5 biliões de anos)
filmes microbianos
assinaturas específicas em minerais
precipitados em massas de água antigas
Stromalite cónica. Período Pré-Câmbrico (Precambrian
Paleobiology Research Group - UCLA)
Colónia de cianobactérias. Cianobactérias filamentosas Período Pré-Câmbrico (Precambrian Paleobiology Research Group - UCLA)
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Estabelecimento das primeiras formas de vida:
Nascentes hidrotermais
Ambiente redutor: superfícies sólidas Fe - S
Ambientes anidros (pirite, gessos, basaltos)
Primeiras formas de vida:
≈ hipertermófilos actuais Gloeocapsa sp.
Metabolismo: quimioorganotrofia e quimiolitotrofia
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Evolução microbiana:
Transferência horizontal de genes
Mutações
Vírus como agentes evolutivos
Tempo evolutivo (biliões de anos)
Selecção
Estudo da evolução microbiana:
Modificação de organismos p/ resolução de problemas (ex:
derrames, fertilização e cultivo)
Alterações climatéricas (ciclos biogeoquímicos)
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Filogenia Microbiana Árvore Universal da Vida:
Descrição da história evolutiva dos organismos
Representação de linhas evolutivas não-organísmica
Construção da árvore => escolha de cronómetros evolutivos:
macromoléculas homólogas cuja sequência de monómeros difere
entre 2 organismos medição da distância evolutiva
moléculas universalmente distribuídas no grupo em estudo
moléculas funcionalmente homólogas
sequências passíveis de serem alinhadas
alterações comensuráveis (baixa taxa mutacional)
exs: rRNA, ATPase, RecA, rpoS, hsp60, etc
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Construção da árvore => sequências assinatura, sondas filogenéticas, FISH (hibridação in situ por fluorescência), FTIR (espectroscopia vibracional com transformada de Fourier), etc.
Sequências assinatura: sequências de 5nt-12nt, únicas em certos grupos de microorganismos. Regiões conservadas, representando inserções ou delecções de comprimento definido, numa mesma posição, num gene particular, entre todos os membros de um dado grupo
• 3 Domínios (taxa mais elevado): Bacteria, Archaea, Eucarya
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Árvore molecular baseada em comparações de sequência de rRNA. Só estão esquematizadas algumas linhas evolutivas.
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Todas as formas de vida actuais são modernas, adaptadas e bem sucedidas nos seus nichos ecológicos:
Nenhum Domínio evoluiu a partir de outro: (conceito de procariota é obsoleto)
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Classificação de microorganismos
Enorme diversidade genética => problema na classificação/conceito de “espécie”
1. Taxonomia clássica: baseada em características fenotípicas 1.1. Estrutura e Morfologia 1.2. Bioquímica/fisiologia 1.3. Serotipia 1.4. Fagotipia 1.5. Taxonomia numérica:
S – coeficiente de semelhança = a/(a+b+c) a – nº de características comuns a ambos b – nº de características presentes em 1 e em 2 c – nº de características presentes em 2 e ausentes em 1 2. % GC: (G+C)/( A+ C+ G+T) x 100%
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Classificação de microorganismos (cont.) 3. Taxonomia molecular: - + objectividade - não necessidade de isolamento do microorganismos em cultura
vantagem 99% dos microorganismos não cresce em cultura
3.1. % hibridação DNA-DNA 3.2. Ribotiping (molecular fingerprinting) 3.3. Espectroscopia de massa (ex: FT-IR) 3.4. FAME (fatty acids analysis) Sistemática Microbiana deve ser polifásica, fazendo uso de várias
técnicas
Evolução e Filogenia Microbianas - ACV
Nomenclatura Nomenclatura bacteriana reflecte um consenso apenas num dado período de tempo.
Comissão Jurídica do “International Committee on Systematics of Prokaryotes” regula a atribuição taxonómica
Nomenclatura binomial
Divergência > 3% => Nova espécie
Género: 93% - 95% semelhanças
Em bacteriologia => categoria adicional: estirpe: descendentes de uma cultura pura
Referências:
- Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology
- The Prokaryotes
- Bases de dados
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Domínio Archaea
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Mapa da ecologia do Domínio Archaea
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Domínio Archaea
Linhagem de células considerada como a mais próxima em forma e fisiologia da linha
existente há biliões de anos.
Classificação: 2 filos principais?
Crenarchaeota (hipertermófilas)
Euryarcheota (halófilas extremas, metanogénicas, termpolasmales, hipertermófilas)
Korarchaeota (hipertermófilas):Auchtung; T. et al., ”16S rRNA Phylogenetic Investigation of the Candidate Division “Korarchaeota”, Applied. Environ. Mic., 2006, 72(7):5077.
Proposta de 3º Filo: Thaumarchaeota ('thaumas‘ = maravilha) - mesófilas. Brochier-Armanet, C., “Mesophilic crenarchaeota: proposal for a third archaeal phylum, the Thaumarchaeota”, Nature Reviews Microbiology , 2008, 6: 245
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Eubacteria vs Archaea
Composição da parede => coloração Gram não conclusiva
Estrutura da parede:
≈ Gram –
≈Gram +
Pyrobaculum aerophilum
a
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Eubacteria vs Archaea Estrutura da membrana ≠: Lípidos ≠; Ligações éter
Bacteria, Eukaria
Archaea
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Eubacteria vs Archaea
Ribossomas com morfologia diferente
RNA polimerases mais complexas
Síntese proteica ≈ Domínio Bacteria
Flagelinas únicas => flagelos mais finos, curtos e simples; únicas
estruturas responsáveis pela motilidade celular neste domínio
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Halófilas Ambientes hipersalinos: 9% -23% [NaCl]; 32% [NaCl] = saturação; Lagos salgados, salinas, material proteico salgado Maioria é aeróbia
Adaptações:
osmoadaptação => acumulação de ↑↑↑ [K+, Na+, Cl-] no interior da célula contrabalanço da pressão osmótica externa parede celular estabilizada por Na+ estabilização de componentes celulares (ex: enzimas) por ↑↑↑ [K+, Na+]
Halófilos extremos => restrição a esses nichos Halófilos moderados => estratégias de adaptação mais flexíveis Ex: Halobacterium, Haloferax, Natrobacterium, Halobacterium salinarium
Halobacterium salinarium
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Termófilas e Hipertermófilas Temperaturas elevadas (≈115ºC)
Adaptações:
conformação proteica adequada => maior rigidez Expressão de proteínas de choque térmico DNA girase reversa Proteínas de ligação ao DNA Acumulação de compostos orgânicos com função termoestabilizadora numa variedade de proteínas
Thermoplasma sp. Archaeglobus sp. Pyrodictium sp. Sulfolobus sp.
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Acidófilas e alcalófilas
pH: 0 – 11.5 pH intracelular:
5-7 acidófilos; 7 –9 alcalófilos
manutenção de elevados gradientes protónicos transmembranares exporte ou importe de H+ => não necessidade de adaptações especiais dos componentes celulares
Arqueobactérias isoladas na Mina de Richmond, USA
Domínio Archaea Ana Cruz V.
Metanogénicas • Metanogénese: redução de compostos orgânicos por H2 por bactérias
sintróficas • Pântanos, sedimentos marinhos, esgotos, intestinos dos animais, etc. • Anaeróbias estritas e mesófilas, na maioria. • O metano é o principal produto metabólico final
Methanobacterium thermoautotrophicum Methanosarcinae barkeris
Metanogénese
Polímeros complexos
Hidrólise bacteriana
a.a, glícidos
Fermentação bacteriana
H2 + CO2 acetato Propionato, butirato, succinato, alcoóis
Acetato
acetogénese
Bactérias metanogénicas
H2+CO2 acetato
Bactérias produtoras de H2
Fermentação
Bactéria metanogénicas
CH4 + CO2