CURSO SUPERIOR DE CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS LICENCIATURA EM BIOLOGIA O ESTUDO DE EXTREMÓFILOS COMO PROPOSTA INTERDISCIPLINAR

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1 CURSO SUPERIOR DE CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS LICENCIATURA EM BIOLOGIA O ESTUDO DE EXTREMÓFILOS COMO PROPOSTA INTERDISCIPLINAR CARLOS VINÍCIUS GOMES COSTA DE SOUZA CAMPOS DOS GOYTACAZES

2 CARLOS VINÍCIUS GOMES COSTA DE SOUZA O ESTUDO DE EXTREMÓFILOS COMO PROPOSTA INTERDISCIPLINAR Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do Curso de Ciências da Natureza - Licenciatura em Biologia. Orientadora: Profª. Drª. Desiely Silva Gusmão Taouil CAMPOS DOS GOYTACAZES /RJ

3 i Este trabalho, nos termos da legislação que resguarda os direitos autorais, é considerado propriedade institucional. É permitida a transcrição parcial de trechos do trabalho ou menção ao mesmo para comentários e citações desde que não tenha finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor.

4 ii CARLOS VINíCIUS GOMES COSTA DE SOUZA Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do Curso de Ciências da Natureza - Licenciatura em Biologia. Aprovada em 05 de Março de Banca Avaliadora: Profª. Desiely Silva Gusmão Taouil (Orientadora) Doutora em Biociências e Biotecnologia - UENF IFF Campus Campos - Centro Profª. Cíntia Neves Barreto Carneiro Doutora em Biociências e Biotecnologia - UENF IFF Campus Campos - Centro Prof. Rodrigo Maciel Lima Doutor em Biociências e Biotecnologia - UENF IFF Campus Campos - Centro

5 iii "Uma vez que se privou o homem da verdade, é pura ilusão pretender torná-lo livre. Verdade e liberdade, com efeito, ou caminham juntas, ou juntas miseravelmente perecem." (Papa João Paulo II)

6 iv AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus por esta vitória conquistada que proporcionou-me um grande aprendizado. À minha mãe Joízes, pelo companheirismo, confiança e amizade dedicados com grande incentivo em minha vida. Ao meu pai Carlos Afonso (in memorian), que mesmo não estando presente fisicamente faz-se presente nas boas lembranças de tempos em que vivemos juntos. A todos da minha família que torceram para que esse trabalho fosse concluído. Agradeço em especial a professora e orientadora Desiely Gusmão, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, pela paciência e dedicação, sem os quais esse trabalho não seria concluído. A todos os professores do curso de Ciências da Natureza do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, que contribuíram com seus ensinamentos para minha aprendizagem. Aos nossos colegas de curso, que direta ou indiretamente colaboraram na elaboração e realização deste trabalho. Em especial a Lucyana da Silva, Neyla Barcelos, Priscila Manhães, Aline Renne, Maria Laíse e Daniela Quintanilha.

7 v RESUMO Os microrganismos sempre despertaram a atenção do homem. A capacidade de proliferação rápida, associada às adaptações ao meio, explica a abundância e o sucesso evolutivo destes organismos. Até mesmo em lugares antes considerados inóspitos a vida, certas bactérias conseguem se multiplicar com eficiência. As características destes ambientes naturais seriam correspondentes às possíveis condições encontradas na Terra primitiva: temperatura elevada, ausência de oxigênio (total ou parcial), alta salinidade e acidez. Aos organismos que toleram tais condições foi atribuído o nome extremófilos. Os estudos sobre extremófilos, baseados em suas características moleculares e bioquímicas, contribuíram para a classificação dos seres vivos em três domínios: Archaea, Bacteria e Eucaria. Enquanto este trabalho faz uma breve caracterização dos extremófilos e enfoca alguns aspectos de suas adaptações e aplicações, deixa evidente que é necessário conhecer conteúdos da Física, Química e Biologia para compreender de forma satisfatória o assunto. Portanto, o trabalho aponta os extremófilos como um tema interessante para se praticar a interdisciplinaridade. Palavras-chave: Archaea, extremófilos, ambientes inóspitos, interdisciplinaridade.

8 vi ABSTRACT The microorganisms always attracted the attention of man. The ability to spread rapidly, associated with adjustments to the environment, explains the abundance and evolutionary success of these organisms. Even in places previously considered inhospitable to life, some bacteria able to multiply efficiently. The characteristics of natural environments would be possible for the conditions found in the primitive Earth: high temperature, lack of oxygen (partial or total), high salinity and acidity. Organisms to tolerate such conditions was given the name extremophiles. Studies on extremophiles, based on their molecular and biochemical characteristics, contributed to the classification of living organisms into three domains: Archaea, Bacteria and Eucarya. While this work is a brief characterization of extremophiles and focuses on some aspects of its adaptations and applications, it is clear that it is necessary to know content of physics, chemistry and biology to understand the matter satisfactorily. Therefore, the work points the extremophiles as an interesting topic to pursue the interdisciplinary. Keywords: Archaea, extremophiles, inhospitable environments, interdisciplinarity.

9 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1: Árvore filogenética universal, apresentando os três domínios da vida...16 Figura 2: Árvore filogenética do Domínio Archaea, baseada na análise do rrna 16s...17 Figura 3: Ambientes considerados extremos...19 Figura 4: Árvore filogenética segundo Woese et al., 1990, com localização de extremófilos Figura 5: Diversas estratégias usadas por microrganismos em resposta a um aumento da salinidade...24 Figura 6: Lago hipersalino no Egito, rico em carbonato de sódio...25 Figura 7: Perfil de crescimento do hipertermófilo Pyrolobus fumarii em função da temperatura. Nota-se que o organismo não cresce abaixo de 95 ºC...27 Figura 8: Perfil de atividade de uma enzima intracelular de um extremófilo (síntese do manosilfosfoglicerato) em função da temperatura. A enzima apresenta atividade máxima entre 90 C e 100 C...29 Figura 9: Composição lipídica de membranas de Archaea termofílicas (A e B) e de Bactérias (C)...30 Figura 10: Solutos compatíveis essencialmente restritos a Archaeas ou bactérias termófilas ou hipertermófilas...33 Figura 11: Efeitos da alta temperatura sobre a estrutura da proteína...34 Figura 12: Mecanismos de estabilização da estrutura da proteína...37 Figura 13: Lagoa quente, rica em enxofre, que é convertido a ácido sulfúrico, por espécies de archaea...38 Figura 14: Sulfolobus, exemplo de uma archaea do filo Crenarchaeota...38 Figura 15: Thermoplasma, uma archaea desprovida de parede celular...39 Figura 16: Pilha de refugo da mineração de carvão...39 Figura 17: Fluxograma da hidrólise enzimática do amido na produção industrial de xaropes...47 p.

10 viii Figura 18: Estrutura da molécula de pectina e ação das enzimas pectinolíticas...49 Figura 19: Estrutura da molécula de xilana e ação das xilanases...50

11 ix SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS......vii p. 1- Introdução... Erro! Indicador não definido. 2- Objetivo: Materiais e Métodos:... 2 CAPÍTULO I: Interdisciplinaridade... Erro! Indicador não definido O Resgate do Conhecimento... Erro! Indicador não definido A interdisciplinaridade na área de Ciências da Natureza... 8 CAPÍTULO II: O Grupo Archaea como proposta interdisciplinar.erro! Indicador não definido Domínio Archaea: Extremófilos... Erro! Indicador não definido O Genoma de Metanococcus jannaschii... Erro! Indicador não definido Adaptação aos ambientes extremos Halófilos extremos Metanogênicos Termófilos e hipertermófilos Adaptação à termofilia Termoestabilidade de enzimas Acidófilos e Alcalófilos Psicrófilos Barófilos... Erro! Indicador não definido.2 CAPÍTULO III- Os extremófilos e a Biotecnologia... Erro! Indicador não definido Aplicações Biotecnológicas... Erro! Indicador não definido Amilases termoestáveis... Erro! Indicador não definido Pectinases termoestáveis... Erro! Indicador não definido.8

12 x Xilanases termoestáveis... Erro! Indicador não definido.9 CAPÍTULO IV- Considerações Finais Referências Bibliográficas... Erro! Indicador não definido.3 ANEXOS... Erro! Indicador não definido.6 Anexo 1

13 1 1- Introdução A busca por novas técnicas de ensino, vem tomando cada vez mais espaço no mundo atual, e com certeza, técnicas interdisciplinares vem, a cada dia mais conquistando esse espaço. Com base nesse pensamento foi resolvido, tratar de um assunto de forma diferente com um objeto de estudo ainda pouco explorado pelos livros e pesquisadores. Informações foram buscadas sobre grupo de procariotos, há tempos conhecido, mas muito pouco estudados, talvez por causa das condições em que vivem. Estes procariotos são chamados extremófilos. Dois grandes grupos de procariotos podem ser distinguidos os das eubactérias, que habitam o solo, a superfície das águas e os tecidos de outros organismos vivos ou em decomposição e o das arqueobactérias, as quais foram mais recentemente descobertas e menos caracterizadas bioquimicamente. A maioria habita os ambientes mais extremos: águas salgadas, pântanos e regiões profundas do oceano (NELSON e COX, 2002). MADIGAN e MARRS (1997) nos revela que, alguns extremófilos são conhecidos há mais de 40 anos. Mas a pesquisa sobre esses organismos se intensificou recentemente quando cientistas reconheceram que lugares que eram assumidos como estéreis estavam repletos de vida microbiana. Segundo BULLOCK (2000) foi a partir da década de 70 que eles foram isolados destes ambientes. Arqueobactérias são morfologicamente parecidas com as eubactérias já descritas, porém, diferente em vários fatores metabólicos. Com isso, a existência de um terceiro Domínio de seres vivos, Archaea, suscitou indagações da comunidade científica sobre a sua evolução, biologia e papéis ecológicos. As condições iniciais de formação da Terra certamente possibilitaram o surgimento das Archaea, representadas, por exemplo, pelos hipertermófilos e metanogênicos, como explicita VAZOLLER et al., (1999) Através dessas indagações e descobertas que a proposta interdisciplinar foi lançada, e este trabalho visa mostrar que o estudo do modo de vida das

14 2 arqueobactérias, permite avaliar as respostas dos seres vivos aos diferentes aspectos químicos e físicos do meio. Dessa forma este trabalho faz uma integração das áreas Biologia, Química e Física por abordar assuntos referentes a Termodinâmica, Fisicoquímica, Bioquímica, Química Orgânica, etc. 2- Objetivo: - Apresentar a necessidade da aplicação da interdisciplinaridade no ensino de ciências através de reflexões de alguns pedagogos. - Apresentar os extremófilos e suas adaptações como um tema capaz de permitir a integração de conteúdos das disciplinas Biologia, Química e Física. - Apresentar uma proposta de experimento que possibilite integração de tais conteúdos. 3- Materiais e Métodos: Esta monografia faz um levantamento bibliográfico, tendo como fontes de pesquisa livros, artigos científicos e sites, através dos quais foram retiradas as informações necessárias para a formulação da proposta apresentada. Esse trabalho está disposto em capítulos que abordarão os seguintes assuntos: No primeiro capítulo são abordados os aspectos históricos da interdisciplinaridade, o resgate deste conhecimento e sua aplicação na área de ciências naturais. No capítulo II será apresentado os dados que consolidaram os aspectos em questão no estudo tais como o Domínio Archaea como seres extremófilos, suas adaptações aos meios considerados inóspitos a vida e sua classificação de acordo com suas condições ótimas de crescimento. Ainda no segundo capítulo, serão apresentados por tópicos específicos cada um desses seres segundo sua classificação, ao final de cada tópico disciplinas de diversas áreas que poderão ser abordadas e em alguns tópicos uma sugestão de prática.

15 3 No capítulo III está abordado o emprego dos seres extremófilos na área tecnológica, suas contribuições aplicação e importância para a área de Biotecnologia e também um pouco do conhecimento que se tem sobre esse grupo de microrganismos no Brasil. No quarto capítulo apresentam-se as conclusões do estudo monográfico.

16 4 CAPÍTULO I: Interdisciplinaridade Atualmente com o avanço tecnológico nos deparamos com esse efeito de sobrecarga de informações que faz com que a fragmentação do ensino seja maior. Com a construção de novos conhecimentos, é possível o surgimento de novas disciplinas o que acarreta um maior volume de informações. Trata-se de um efeito evolutivo e a escola não pode ficar à margem desse processo. Organizadas de forma particular cada disciplina tem suas particularidades e, nesse sentido, uma estrutura curricular com esse perfil tende a propor uma prática de aplicação isolada do conhecido (SILVA, 2007 ). A interdisciplinaridade pode ser entendida como uma condição fundamental do ensino e da pesquisa (em níveis universitários e do segundo grau) na sociedade contemporânea (LEIS, 2005). À guisa de introdução histórica vale a pena comentar que o pesquisador dos mundos clássico e medieval não estava muito preocupado em estabelecer separações significativas entre os diversos conhecimentos disponíveis sobre a realidade. Pelo contrario, sua preocupação residia em estabelecer algum tipo de relação que os aproximasse. Havia sim hierarquias entre as diversas áreas de conhecimento, mas não hiatos intransponíveis. Independentemente da natureza distinta dos objetos do mundo animal e do mundo social e político, as bases do conhecimento eram as mesmas. As premissas básicas do conhecimento científico eram comuns e os estudiosos de um ou outro objeto podiam conversar e trocar idéias de forma produtiva. Embora, obviamente existisse uma especialização em torno de cada objeto, a mesma não estabelecia qualquer exclusão ou desinteresse recíproco entre os pesquisadores, do tipo que levou Snow (1993) a falar de duas culturas, na metade do século XX, para descrever a incomunicação existente entre os cientistas das ciências humanas e das exatas e naturais (LEIS, 2005). Enquanto na época de Aristóteles ou de Galileu os pesquisadores de diferentes áreas se procuravam mutuamente para compartilhar seus conhecimentos, se verifica hoje uma tendência geral que vai no sentido contrário, fazendo com que os pesquisadores se entrincheirem nas suas especialidades ou sub-especialidades, compartilhando seus conhecimentos apenas no interior de um circulo próximo e restrito.

17 5 Assim, aquelas duas culturas se reproduziram até chegar hoje a várias dezenas. Mas essas numerosas culturas e sub-culturas estão muito menos separadas por condições ontológicas objetivas, do que pelos hábitos dos próprios pesquisadores. Tais hábitos, do ponto de vista epistemológico, cristalizam pesadamente naquilo que Kuhn (1989) chamou de paradigmas científicos (LEIS, 2005). Com base nisso, FAZENDA (2005, p.65) afirma, que o conhecimento interdisciplinar não se restringe à sala de aula, mas ultrapassa os limites do saber escolar e se fortalece na medida em que ganha a amplitude da vida social. O aluno colocado diante de situações reais de experiência terá oportunidade de vivências, o que facilitará comprovadamente a aprendizagem, reforça. Segundo palavras textuais de NOGUEIRA, (1998, p.104): Tais orientações propõem que os conteúdos não sejam tratados como um fim em si mesmos. Mas, sim, que estes sejam vistos como meio, para que os alunos desenvolvam capacidades que possam ser utilizadas na produção de bens culturais e/ou resolução dos diferentes problemas. Realmente trata-se de um tema complexo, a interdisciplinaridade. Possivelmente, mais direcionado aos professores e professoras, mas não exclusivamente. Interdisciplinaridade se realiza como uma forma de ver e sentir o mundo. É preciso ser capaz de perceber, de entender as múltiplas implicações que se realizam, ao analisar um acontecimento, um aspecto da natureza, isto é, o fenômeno dimensão social, natural ou cultural. Segundo Fazenda (1994) apud Silva (2007): A interdisciplinaridade depende então, basicamente, de uma mudança de atitude perante o problema do conhecimento, da substituição de uma concepção fragmentária pela unitária do ser humano.

18 O Resgate do Conhecimento O conhecimento de Biologia deve subsidiar o julgamento de questões polêmicas, que dizem respeito ao desenvolvimento, ao aproveitamento de recursos naturais e à utilização de tecnologias que implicam intensa intervenção humana no ambiente, cuja avaliação deve levar em conta a dinâmica dos ecossistemas, dos organismos, enfim, o modo como a natureza se processa (PCN, 2002). A civilização da qual somos parte tem nos apresentado a natureza como algo separado de nós. Forjou em nossas mentes uma concepção de mundo onde os fatos, os fenômenos, a existência, se apresentam de forma fragmentada (FAZENDA, 2005). Contudo, nem sempre as coisas se passaram dessa maneira. Quando esta mesma civilização desabrochou entre os gregos do século VI a.c., o mundo e seus elementos eram vistos como uma unidade. Essa cultura não separava filosofia, ciência, arte e religião: havia apenas o conhecimento, a investigação do fenômeno em sua totalidade e, nessa época, chamava-se de physis tudo que existia (FAZENDA, 2005). É essa volta às raízes, esse re-nascimento da visão holística de mundo que constitui a essência da interdisciplinaridade. Por isso, ser interdisciplinar é saber que o universo é um todo, que dele fazemos parte como fazem parte do oceano as suas ondas. Num momento a própria substância oceânica se encrespa, se agita, toma forma e se dilui sem jamais ter-se do seu todo separado ou ter deixado de ser o que sempre foi (FAZENDA, 2005). Para se compreender a íntima relação entre ciência e interdisciplinaridade é fundamental que entendamos o significado de physis. Deste termo se originou o vocábulo física, traduzido hoje por natureza, designador da ciência que tem servido de suporte às demais. Ao mesmo tempo, tem sido o resgate de visão de mundo essencializada na physis o grande anseio da interdisciplinaridade (FAZENDA, 2005). O termo physis tenta traduzir em palavras o próprio fato da existência; significa originalmente o céu e a terra, as aves que voam, a flor que desabrocha. Physis é o vigor, segundo o autor, reinante em todo existente, é o vir-a-ser e o ser, é o extrair-se de si mesmo do encoberto e, assim, deixar-se conhecer (FAZENDA, 2005).

19 7 Porém, ao emigrar para a civilização latina, o conteúdo originário da palavra grega physis foi distorcido, perdeu sua força evocativa e passou a ser traduzido por natureza (de natura = nascer, nascimento) (FAZENDA, 2005). O que permeia esse processo não é simples nem inconseqüente: é a visão de mundo fragmentada, é o esfarelamento da existência, é a perda da unidade universal. Surge, dessa forma, a ciência como tal, multiplicada em reinos. Surgem a filosofia, a arte e a religião. Cada qual seguindo seu caminho, desencontradas, antagônicas muitas vezes, retalhando o mundo e a integridade humana(...)(fazenda, 2005). Entretanto, segundo Fazenda (2005), o mesmo idioma latino que propiciou a perda da essencialização do termo physis serve hoje para seu resgate. O prefixo inter, dentre as diversas conotações que podemos lhe atribuir, tem o significado de troca, reciprocidade e disciplina, de ensino, instrução, ciência. Logo, a interdisciplinaridade pode ser compreendida como sendo um ato de troca, de reciprocidade entre as disciplinas ou ciências ou melhor, de áreas do conhecimento. Interdisciplinaridade é uma atitude, isto é, uma externalização de uma visão de mundo que, no caso, é holística (FAZENDA, 2005). Tudo o que existe, todo ente, se vela, se des-vela e se re-vela ante nossos olhos. (...). A ciência atual, emergente, está cônscia disto. Daí a necessidade da troca, da reciprocidade entre os cientistas. Ninguém é portador da Verdade Absoluta. Para nós, seres humanos, ela inexiste. Nós apenas poderemos captar uma faceta de um fenômeno, assim mesmo num vislumbre, porque, ao mesmo tempo que ele se des-vela, ele se vela (a cada descoberta surgem infinitas novas questões) (FAZENDA, 2005). A apreensão da atitude interdisciplinar garante, para aqueles que a praticam, um grau elevado de maturidade. Isso ocorre devido ao exercício de uma certa forma de encarar e pensar os acontecimentos. Aprende-se com a interdisciplinaridade que um fato ou solução nunca é isolado, mas sim consequência da relação entre muitos outros (FAZENDA, 2005). Na perspectiva escolar, a interdisciplinaridade não tem a pretensão de criar novas disciplinas ou saberes, mas de utilizar os conhecimentos de várias disciplinas

20 8 para resolver um problema concreto ou compreender um determinado fenômeno sob diferentes pontos de vista. Em suma, a interdisciplinaridade tem uma função instrumental. Trata-se de recorrer a um saber diretamente útil e utilizável para responder às questões e aos problemas sociais contemporâneos (PCN, 2002). Na proposta de reforma curricular do Ensino Médio, interdisciplinaridade deve ser compreendida a partir de uma abordagem relacional, em que se propõe que, por meio da prática escolar, sejam estabelecidas interconexões e passagens entre os conhecimentos através de relações de complementaridade, convergência ou divergência (PCN, 2002) A interdisciplinaridade na área de Ciências da Natureza Quando as modernas ciências começaram a se desenvolver, num tempo de mares nunca dantes navegados, conhecer era navegar num oceano de mistério e riscos. E, para navegar com segurança, foi preciso que cada marujo cuidasse de seu trabalho e buscasse conhecer o máximo sobre ele, sem olhar para o lado, com o tempo, ficou óbvio que, para vencer travessias mais difíceis, era preciso reconhecer que, na verdade, todos estavam no mesmo, barco. A interdisciplinaridade começa aí no entendimento de que a complexidade dos mundos físico e social requer que as disciplinas se articulem, superando a fragmentação e o distanciamento para que possamos conhecer mais e melhor. Assim nos dizeres de Fazenda apud Silva (2007): A interdisciplinaridade perpassa todos os elementos do conhecimento, pressupondo a integração entre eles. Porém, é errado concluir que ela é só isso. A interdisciplinaridade está marcada por um movimento ininterrupto, criando ou recriando outros pontos para discussão. Já na idéia de integração, apesar do seu valor, trabalha-se sempre os mesmos pontos, sem a possibilidade de serem reinventados. Busca-se novas combinações e aprofundamento sempre dentro de um mesmo grupo de informações. A mesma lógica está no mundo do trabalho, da produção. Nos processos mais modernos se dava a divisão do trabalho, ao contrário do artesanato, em que cada um fazia tudo e sabia tudo desse fazer. No trabalho especializado, cada um sabe uma

21 9 parte do fazer, mas é totalmente alheio ao que os outros sabem e fazem, atividade muito própria dos processos de industrialização e produção em larga escala de um mesmo produto. O resultado disto é uma alienação, em que docentes e discentes geralmente compartilham conjuntamente com a sociedade atual. A superação da alienação é necessária, não para o trabalhador ser flexível para lidar com rápidas mudanças nos processos produtivos, mas para que o conhecimento científico tenha maior abrangência e significação. Assim, também se encontra a escola atual com uma cultura separatista de disciplinarização, separando as disciplinas e não promovendo o encontro dos docentes para o planejamento participativo e integrado. Assim, apenas reproduzem o saber e se terá professores fabricantes e alunos produtos. Tudo isso arraigado ao modelo que se constitui durante muito tempo nas nossas escolas onde o ensino é organizado por parte, cada um faz a sua parte e o aluno recebe os pedacinhos do saber como se fosse um processo de montagem sem estabelecer nenhuma conexão significativa entre as partes. Fazendo uma alusão as práticas pedagógicas tradicionais Libaneo (1986) apud Silva (2007) afirma: A educação libertadora, ao contrário, questiona concretamente a realidade das relações do homem com a natureza e com os outros homens, visando a uma transformação daí ser uma educação crítica. Numa perspectiva educativa mais humanista, devemos considerar as implicações econômicas, políticas e cultural e buscar a reconstrução do homem como ser integral, não mais fragmentado. Na escola, a interdisciplinaridade é uma estratégia pedagógica que facilita aos alunos a compreensão dos fenômenos naturais e sociais. Ao remeter o conhecimento escolar aos contextos naturais e sociais de onde foi extraído e onde é aplicado, a escola deve fornecer aos alunos as ferramentas mentais para a compreensão e a ação. E, como o mundo físico e social é um enorme oceano, em que os fenômenos nadam de forma interdisciplinar, é preciso construir essas ferramentas as competências -, partindo dos conhecimentos específicos e fazendo-os interagir (SILVA, 2007).

22 10 Ao organizar o currículo do novo Ensino Médio em áreas, não se está dizendo que o futuro professor será um gênio que domina todos os conhecimentos de uma área. O que se afirma é que ele deverá entender a relação de sua disciplina com as da mesma área para depois relacioná-las às das outras áreas. Uma forma de se compreender e aplicar isso é observar os eixos de competências dos PCNEM, que estão presentes nas três áreas: representação e comunicação (as linguagens); investigação e compreensão (ciências); e contextualização sócio-cultural (a sociedade e a cultura). Olhando perplexamente para os educandários e vendo a falência em que se encontra a educação nos mais diferentes graus de ensino, fica clara a necessidade de recorrer a novos caminhos. É com esse pensamento que teóricos como Ivani Fazenda defende a idéia da interdisciplinaridade. Trata-se de tomar uma nova atitude de buscar dentro dessa perplexidade uma solução para essa falência. Acreditando que o caminho da interdisciplinaridade não pode ser percorrido por apenas uma pessoa, mas por todos os atores que compõem o cenário do contexto escolar. Quando o autor (FAZENDA: 2005, p. 139) faz referência à atitude do professor na perspectiva interdisciplinar afirma que: Atitude interdisciplinar uma vez percebida, acaba por nos conduzir à percepção de outras tantas contradições da visão fragmentária e ou dicotômica, que está enraizada também na nossa prática pedagógica, ainda que de forma oculta, velada. O rompimento com uma prática pedagógica fragmentada não se dá de uma hora para outra é preciso haver um amadurecimento. É preciso conhecer o que significa a interdisciplinaridade. Descobrir o seu sentido e entender que não se trata de um trabalho solitário. De nada adiantará querer ser um professor que diz adotar a interdisciplinaridade, quando este se isola nos quatro cantos da sala de aula e não se relaciona com outros docentes a fim de confirmar até mesmo a relação interpessoal que essa postura exige. Sobre essas reflexões apóia-se as afirmações com Fazenda (1994) Apud Silva (2007): Há necessidade de o professor apropriar-se do conhecimento científico, de saber organizá-lo e articulá-lo, de ter competência. Mas essa competência,

23 11 para o verdadeiro educador, deve estar impregnada de humildade, de simplicidade de atitudes. É necessário enxergar o outro, construir com ele o alicerce do conhecimento, não só para servir a sociedade, mas para entender a vida. Nessa vertente, assenta-se o pensamento educativo, buscando o pleno desenvolvimento do educando, seu preparo para o exercício da cidadania e sua qualificação para o trabalho. Formar indivíduos que se realizem como pessoas, cidadãos e profissionais exige da escola muito mais do que a simples transmissão e acúmulo de informações. Exige experiências concretas e diversificadas, transpostas da vida cotidiana para as situações de aprendizagem. Educar para vida requer a incorporação de vivência, e, implica no uso do que é aprendido em outras situações. (SILVA, 2007) A construção de conhecimentos, competências, e habilidades na escola implica recorrer a contextos que tenham significado para o aluno e possam mobilizá-lo a aprender, num processo ativo, em que ele é protagonista e não mero coadjuvante. Educar para a vida requer uma aprendizagem significativa, que envolva o aluno não só intelectualmente, mas também, afetivamente, aprendendo na prática a se relacionar e resolver problemas coletivamente (SILVA, 2007). Partindo da idéia de que a interdisciplinaridade acontece na mobilidade do estudo de um objeto é importante considerar que essa relação de ligação das áreas do conhecimento se torna possível a partir de uma percepção aguçada do educador. Não é só o simples fato de ver, perceber é preciso algo mais (SILVA, 2007). Nos Parâmetros Curriculares do Ensino Médio que relaciona às competências indicadas na Base Nacional comum, aponta a área de Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias, como responsável pela aplicação de procedimentos para desenvolver as habilidades básicas e competências específicas, pelos alunos em Biologia, Física, Química e matemática. (PCN, 2002) A proposta desse trabalho monográfico é estudar a adaptação de bactéria. Este assunto possibilita uma vasta interação entre as áreas do saber, fazendo com que a interdisciplinaridade seja alcançada, já que para entender a estrutura, o modo de vida, evolução do tema proposto, é necessário conhecer conteúdos de Química, Física, Geologia, Biologia.

24 12 Nesse nível de ensino, em decorrência do aprendizado dessas disciplinas e das tecnologias relacionadas, os aspectos e conteúdos tecnológicos associados ao aprendizado científico são partes essenciais da formação cidadã de sentido universal e não somente de sentido profissionalizante. Vale a pena lembrar que, com uma demarcação disciplinar, é preciso desenvolver uma articulação interdisciplinar, de forma a conduzir organicamente o aprendizado pretendido. Essas implicações se afirmam pela superação da fragmentação do saber e de sua dissociação da realidade do aluno. Sobre isso Aranha (1996) comenta: A abordagem holística do conhecimento supõe a superação das disciplinas fragmentadas, por meio da exigência de uma complementaridade entre as áreas do saber. Essa tendência à interpenetração tem sido sentida inclusive nas novas ciências, que rompem com as tênues fronteiras do conhecimento (a físico-quimica, a mecatrônica, a medicina nuclear) e se mantém na necessidade contínua de complementação. (...) É nesse sentido que o antropólogo Roberto DA Matta, a partir de suas experiências de campo no interior do Brasil, destaca a importância de conhecer pelo menos certos rudimentos de geografia, topografia, desenho em escala, interpretação de textos, psicologia, botânica, zoologia, religião, direito, política, medicina empírica. E completa: Tudo isso indicava que eu deveria procurar as significações sistemáticas pu holísticas se quisesse apreender as motivações profundas da coletividade humana que eu tentava estudar. Então, a procura por um tema que possibilite um trabalho interdisciplinar é fundamental. O estudo sobre extremófilos atende a esta necessidade, já que o entendimento das adaptações desses organismos exige que: se conheça suas propriedades químicas, físicas e biológicas; e que se compreenda de um modo geral o funcionamento da maquinaria celular e da influência da temperatura, ph e pressão na determinação do funcionamento da célula através da atuação dos mesmos sobre componentes e processos celulares.

25 13 CAPÍTULO II: O Grupo Archaea como proposta interdisciplinar Domínio Archaea: Extremófilos Não é de agora que os microrganismos vêm chamando a atenção da sociedade científica. Porém na década de 70, a curiosidade sobre esses seres, levou cientistas a isolarem ambientes naturais considerados, até então, extremos para a existência de qualquer forma de vida O que caracterizavam esses ambientes era a ausência completa ou parcial de oxigênio, altas salinidades, acidez extrema e temperaturas bastante elevadas (VAZOLLER et al., 1999; SANTOS et al., 2001). Tais características correspondiam às possíveis condições encontradas na Terra primitiva, e levaram os pesquisadores a pensarem que os organismos ali encontrados pudessem ser formas de vida ancestrais das bactérias atuais, correspondendo a células primitivas, ou seja, em síntese, os fósseis vivos das bactérias modernas. Por tais coincidências, estes organismos foram denominados arqueobactérias (VAZOLLER et al., 1999). Isso porque, diz Madigan e Marrs (1997), anatomicamente arqueobactérias não têm núcleos definidos e se assemelham a bactérias em vários outros aspectos. Acreditava-se, que as criaturas vivas podiam ser agrupadas em dois domínios básicos: Bactéria, cujas células simples não tinham núcleo definido, e Eucaria, que possuíam células mais complexas. Com novas pesquisas, passou-se a sustentar a proposta de que um terceiro grupo, denominado Archaea, existisse (VAZOLLER et al, 1999; MADIGAN E MARRS, 1997; ZAHA et al, 2003) Após estudos comparativos de seqüência de DNA (Ácido Desoxirribonucléico) baseados na análise de seqüências de rrna (Ácido Ribonucléico ribossomal) de diferentes organismos, Carl Woese e outros pesquisadores colaboradores, em 1995, revelaram que a vida na Terra é dominada pelos microrganismos.

26 O Genoma de Metanococcus jannaschii Metanococcus jannaschii é uma arqueobactéria que foi originalmente isolada de uma amostra de solo da base de um vulcão submarino, situado a m de profundidade no Oceano Pacífico. Está adaptada à viver em temperaturas entre 48 e 94 C (com ótimo em torno de 85 C), em pressões de mais de 200 atmosferas e na ausência de oxigênio. É autotrófico, produzindo metano a partir da redução de CO2 por H2. Sendo a primeira arqueobactéria a ter o seu genoma inteiramente sequenciado. O trabalho para isso consumiu pouco mais de um ano e foi concluído em 1996 (ZAHA et al., 2003; O genoma de M. jannaschii consistem em três elementos fisicamente distintos: (a) um grande cromossomo circular; (b) um elemento circular extracromossômico (ECE) maior; e (c) um ECE menor. A presença de elementos extracromossômicos, contudo não parece ser uma característica comum de genomas de arqueobactérias, pois genomas de outros organismos pertencentes ao domínio Archaea são constituídos apenas por cromossomo único, como ocorre com eubactérias, além disso outras semelhanças como: Cromossomo circular; Genes organizados em operons além muitos dos genes estarem relacionados à produção de energia, a rotas biossintéticas e ao controle do ciclo celular. Isso sugere que algumas rotas metabólicas essenciais de Archaea e de Eubacteria derivaram de um ancestral comum a esses dois grupos de organismos. (ZAHA et al., 2003) Também há algumas semelhanças entre os genes de Metanococcus jannaschii e eucariotos tais como: Sistemas de processamento de informação (replicação, transcrição e tradução); Estrutura da DNA polimerase; Proteínas envolvidas com o início do processo de replicação; RNA polimerase; Presença de fatores de transcrição; Proteínas ribossômicas e Presença de genes que codificam histonas. (ZAHA et al., 2003) O genoma de Metanococcus jannaschii mostra que mais da metade (56%) dos seus genes não tem homólogos conhecidos em eubactérias ou em eucariotos e essa diferença marcante mostra o quanto as arqueobactérias estão distantes evolutivamente tanto de eubactérias como de eucariotos.

27 15 A partir daí foram definidos três grandes grupos compreendendo todos os seres vivos: Bacteria (anteriormente denominados eubactérias), Archaea (as arqueobactérias ) e Eucarya (eucariotos). Sendo que estes três domínios derivaram hipoteticamente de um ancestral comum de todas as células. Sendo que, os dois primeiros Domínios compreendem os organismos constituídos por células procarióticas, e o último engloba aqueles formados por células eucarióticas (SLY, (1998) Apud VAZOLLER et al. (1999); MADIGAN E MARRS, 1997). VAZOLLER et al. (1999), menciona o episódio descrito anteriormente para melhor elucidação dos fatos: Em 1995, Carl R. Woese e colaboradores apresentaram suas impressões sobre o surgimento do novo Domínio Archaea, sobre as pesquisas feitas em final de O autor registrou que o aparecimento repentino das Archaea (inicialmente denominadas Archaebacteria, Archeobacteria ou Archeote) - negando dogmas da Biologia, como a divisão dos seres vivos em eucariontes e procariontes, de acordo com a presença de núcleo organizado e maquinaria genética ocasionou uma revolução na classificação dos organismos, pois surgia uma terceira forma de vida, cuja estrutura celular é procariótica, mas, em nível molecular e genético, guarda grandes semelhanças com organismos eucarióticos. A noção de dicotomia da vida entre eucariontes e procariontes, que ainda domina a Biologia e influencia, em particular, a percepção sobre o grupo Archaea, está sendo lentamente revista por grupos atuantes em microbiologia. Após um minucioso estudo filogenético, as pesquisas revelaram que apesar da organização celular procariótica, os organismos são evolutivamente distintos das bactérias, sendo a denominação arqueobactéria inadequada, visto que, a possível origem das arqueobactérias ocorreu quase que concomitantemente à origem das bactérias mais primitivas, como mostrado na figura 1. Porém muitos autores ainda adotam o termo arqueobactéria, como poderá ser notado no decorrer deste trabalho.

28 16 Ancestral Universal Figura 1: Árvore filogenética universal, apresentando os três domínios da vida (modificado de MADIGAN e MARRS, 1997) Outro aspecto interessante notado em pesquisas filogenéticas é a posição intermediária que as arqueobactérias ocupam entre os Domínios Bactéria e Eucarya, sugerindo que estes correspondem a um grupo de organismos diferentes de bactérias e de células eucarióticas como afirma Vazoller et al. (1999): O Domínio Archaea é caracterizado por microrganismos procarióticos evolutivamente distintos dos organismos alocados no Domínio Bactéria. Mas não menos importante é o fato de que tais organismos apresentam características de eucariotos e de bactérias, além de características exclusivas não encontradas em qualquer outro Domínio. Certos genes de arqueobactérias, também ocorre em bactéria, indicando que devem possuir as mesmas funções. Porém, arqueobactérias também possuem genes encontrados somente em eucariotos, e uma grande fração de genes de arqueobactérias são únicos. Esses genes estabelecem identidade separado de arqueobactérias, como já elucidado (VAZOLLER et al., 1999; MADIGAN E MARRS, 1997; ZAHA et al, 2003).

29 17 O Domínio Archaea consiste de três divisões: Crenarchaeota, que contém as Archaea redutoras de enxofre hipertermófilas; Euryarchaeota, que compreende uma grande diversidade de organismos, incluindo as espécies metanogênicas, as halófilas extremas e uma espécie hipertermófila; e Korarchaeota, uma divisão descrita mais recentemente, que engloba organismos hipertermófilos pouco conhecidos, ainda não cultivados em laboratório. (VAZOLLER et al., 1999). A figura 2, mostra a árvore filogenética de Archaea baseada na comparação de seqüência de rrna. Figura 2: Árvore filogenética do Domínio Archaea, baseada na análise do rrna 16s (Fonte: MADIGAN et al., 1997; Apud VAZOLLER et al.,1999) A diversidade e biologia das Archaea representam uma enorme contribuição à compreensão da ecologia microbiana. Os membros do Reino Crenarchaeota apresentam a ramificação mais profunda na árvore filogenética universal,

30 18 representados por organismos dos gêneros Desulfurococcus, Pyrodictium, Sulfolobus, Thermococcus, Thermofilum e Thermoproteus. Em seguida, observam-se os grupos de Euryarchaeota, extremamente diversos, incluindo Archaeoglobus spp., os halófilos extremos Halobacterium spp. e Halococcus spp., os metanogênicos Methanobacterium spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp., Methanospirillum spp. e Methanothermus, além das metanogênicas halófilas (VAZOLLER et al., 1999) Adaptação aos ambientes extremos A capacidade de adaptação a alterações ambientais é uma das características mais impressionantes da vida na Terra. A diversidade de ambientes colonizados e a multiplicidade de soluções adaptativas encontradas desafiam as mais férteis imaginações. Habitats terrestres, aparentemente inóspitos são de fato habitados por microrganismos que parecem otimamente adaptados à agressividade desses ambientes (SANTOS et al., 2001; TEHEI E ZACCAI, 2005). Numa visão antropocêntrica, diz STETTER (1999), SANTOS (2001) e TEHEI E ZACCAI (2005), ambientes hostis ao homem foram designados como extremos. Alguns deles tem sido considerados extremos até mesmo, para permitir vida microbiana. A necessidade de definição transfere-se assim para ambiente extremo. Os taxonomistas definem ambientes extremos como aqueles que apresentam diversidade biológica restrita visto que a maioria dos organismos é excluída. A visão antropocêntrica considera ambientes amenos aqueles que têm temperaturas próximas da ambiente e até 40 C, valores de ph próximos da neutralidade, conteúdo em sais da ordem dos oceanos, pressão atmosféricas e níveis de radiação semelhantes aos que atingem naturalmente a superfície terrestre. Portanto, zonas geotérmicas ou regiões polares, nascentes ácidas ou alcalinas, lagos com níveis de salinidade próximo da saturação, regiões abissais frias ou até mesmo zonas bombardeadas artificialmente com níveis elevados de radiação, são ambientes terrestres reconhecidos como extremos à luz desta definição (SANTOS et al., 2001) Santos et al. (2001), ainda para melhor elucidação do tema, exemplifica estes locais, localizando-os geograficamente. Ele nos apresenta que tais microrganismos

31 19 habitam desde a aridez e salinidade extremas dos desertos salinos da Etiópia, às frígidas calotas polares da Antártida, aos infernos sulfurosos do sul da Itália, às emanações de lama negra superaquecida das fossas abissais do Pacífico. Apesar dessas condições a vida adaptada propaga-se admiravelmente. A figura 3 mostra alguns destes locais considerados extremos. Figura 3: Ambientes considerados extremos (baseado em SANTOS et al., 2001) O termo extremófilo, segundo Santos et al. (2001) e Tehei e ZaccaiI (2005), foi usado pela primeira vez por Macelroy em 1974, para designar organismos que proliferam em ambientes extremos existentes na Terra e, talvez, em outra parte do sistema solar. Segundo Barcelos e Quillfeldt (2003) e Tehei e ZaccaiI (2005): Extremófilos são organismos unicelulares (bactérias e Arqueobactérias) capazes de viver e

32 20 reproduzir-se em ambientes antes considerados demasiadamente extremos para permitir a vida. Embora exemplos de extremofilia ocorram freqüentemente em ambos os domínios procariotas (Bactéria e Archaea), os dados disponíveis permitem concluir que os organismos resistentes a extremos de condições ambientais tendem a pertencer ao Domínio Archaea (MADIGAN E MARRS, 1997; SANTOS et al., 2001; ZAHA et al, 2003). Microrganismos tem desenvolvido várias estratégias para suportar e se adaptar aos meios, contendo uma ampla extensão de parâmetros físicos e químicos (TRENT, 2000). STETTER (1999) e VAZOLLER (1999) classificam esses organismos de acordo com suas condições ótimas de crescimento: Halófilos extremos - é um grupo de organismos que vivem em locais altamente salinos, como lagoas e mares com elevada concentração salina (Ca +2, Mg +2, Na +1, etc.) ou mesmo a superfície de alimentos preservados por salmora (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; SANTOS et al., 2001;BUENO, 2005) Metanogênicos- As Archaea metanogênicas são microorganismos anaeróbios obrigatórios, que requerem condições anóxicas de crescimento, e altamente redutoras (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999). Termófilos - compreendem microrganismos capazes de crescer em temperaturas extremas, acima do ponto de ebulição da água, com ótimo acima de 80 ºC. (SANTOS et al., 2001; VAZOLLER et al., 1999; MADIGAN E MARRS., 1997, BUENO, 2005, STETTER, 1999) Acidófilos e Alcalófilos - Os organismos acidófilos e alcalófilos preferem ambientes com valores de ph extremos, até cerca de 0 a 11,5 respectivamente, e são incapazes de proliferar em meios próximos da neutralidade (SANTOS et al., 2001; VAZOLLER et al., 1999; MADIGAN E MARRS., 1997)..Psicrófilos - Organismos que vivem em ambientes frios (MADIGAN E MARRS, 1997; PRADO, 2008). Barófilos - Organismos que vivem sob alta pressão (AMERICANO, 2002; PRADO, 2008).

33 21 Todos os hipertermófilos com temperatura ótima de crescimento superior a 100 C são arqueões, bem como os outros, que ele classifica como recordistas de extremofilia (os mais halófilos ou os mais acidófilos) (SANTOS et al., 2001). Segundo Blöchl et al., (1997) & Schleper et al., (1995) Apud SANTOS et al. (2001) são exemplos notáveis são arqueões do gênero Halobacterium, que se desenvolvem em ambientes salinos saturados (5,2 M NaCl, 29% m/v); o arqueão Pyrolobus fumarii apresenta uma temperatura ótima de crescimento de 106 C, continuando a proliferar até ao limite de aproximadamente 115 C, enquanto que os arqueões do gênero Picrophilus se desenvolvem a ph 0. No entanto, vale a pena ressaltar que as microalgas do gênero Dunaliella são praticamente tão halófilas como os arqueões da família Halobacteriaceae e que os organismos conhecidos com maior resistência a radiações, ou melhor adaptados a ambientes alcalinos, pertencem ao Domínio Bacteria (SANTOS et al., 2001). Porém, esses não estão diretamente ligados a este trabalho. A figura 4 mostra a árvore filogenética com localização de extremófilos quanto a sua adaptação.

34 22 Figura 4: Árvore filogenética segundo Woese et al., 1990, com localização de extremófilos. O tipo de extremofilia está identificado com o código de cores indicado. (baseado em SANTOS et al., 2001) Halófilos extremos Este grupo de archaea habita locais denominados hipersalinos, como: lagoas com elevada concentração salina (e.g., Ca +2, Mg +2, Na +1 ) ou mesmo a superfície de alimentos preservados por salmora, assim, requerendo grandes quantidades de sal para seu desenvolvimento. Embora ambientes salinos sejam comuns, os hipersalinos são raros, encontrando-se em áreas quentes e secas do mundo (lagos salgados, salinas, Mar Morto). Um halófilo extremo, em cultivo laboratorial, podem requerer pelo menos 1,5 M de NaCl, podendo variar de 2 a 4 M para outras espécies. Foram descritos organismos capazes de crescer na presença de 5,5 M de NaCl, o que equivale a 32%

35 23 m/v, correspondendo ao limite de saturação para este sal. A concentração elevada de sódio é essencial para a manutenção da estabilidade da parede celular em alguns organismos, como em Halobacterium spp., por exemplo (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; SANTOS et al, 2001). Assim fala SANTOS (2001), acerca da adaptação dos halófilos: Halófilos extremos (arqueões da família Halobacteriaceae ou bactérias da família Haloanaerobiales) acumulam, em geral, ions inorgânicos (K +, Na +, Cl - ) em concentrações elevadas para contrabalançarem a pressão osmótica externa e manterem a integridade celular. Nestes ambientes, as células tenderiam a perdem água, devido à elevada concentração externa de sal. Entretanto, os halófilos exibem uma adaptação fisiológica que corresponde ao acúmulo de sais ou íons em seu citoplasma, ou pela síntese de compostos orgânicos intracelulares, denominados solutos compatíveis. Assim, o gênero de halófilos Halobacterium bombeia grandes quantidade de K + para o interior da célula, superando a concentração externa de Na +. Nestes organismos, as enzimas devem exibir maior tolerância ao sal, tendo em vista que seu funcionamento deverá ocorrer em um ambiente muito concentrado. Muitas apresentam bombas de cloreto, que constantemente transportam este íon para o interior da célula. As paredes podem conter uma grande quantidade de aminoácidos carregados negativamente, ou polissacarídeos sulfatados, para interagir com íons Na + presentes no meio, sendo esta interação essencial à integridade da parede (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; SANTOS et al., 2001) SANTOS et al. (2001) explica que em contraste, os halófilos moderados utilizam, em geral, estratégias de osmoadaptação mais flexíveis que lhes permitem responder rapidamente a flutuações de salinidade do meio exterior. Neste caso, as estratégias de adaptação passam pela acumulação de solutos compatíveis, compostos orgânicos de baixa massa molecular, quer importados do meio quer sintetizados de novo, e que, mesmo em concentrações elevadas, são inofensivos para a funcionalidade das proteínas e de outros componentes celulares, como ilustrado na figura 5.

36 24 Figura 5. Diversas estratégias usadas por microrganismos em resposta a um aumento da salinidade do meio de modo a manter o balanço osmótico. A- Importação de sais inorgânicos para o citoplasma. B- Importação de solutos compatíveis presentes no meio. C- Síntese de novo de solutos compatíveis. (adaptado: SANTOS et al., 2001) Dentre os ambientes naturais hipersalinos mais estudados encontram-se os sistemas lacustres com salinidade ao redor de 10 vezes a da água do mar, com predomínio de sais de sódio e presença de sulfatos e ph ligeiramente alcalino como: os lagos salgados em Utah e na Califórnia (EUA), bem como o Mar Morto. Na figura 6 um exemplo de ambiente hipersalino é mostrado.

37 25 Figura 6. Lago hipersalino no Egito, rico em carbonato de sódio. O ph destas águas encontra-se na faixa de 10, sendo habitado por archaea halófilas extremas, tais como Halobacterium salinarum. A coloração vermelha é decorrente da presença de pigmentos carotenóides, presentes em algas. (Fonte: As archaeas apresentam, na sua maioria, morfologia celular em forma de cocos e bacilos. As espécies halófilas extremas são, em geral, quimiorganotróficas aeróbias obrigatórias, com raros representantes halófilos anaeróbios (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; SANTOS et al., 2001). Com essas descrições, fica visível a quantidade de conteúdos abordados num só tipo de extremófilo, conteúdos esses que fazem parte da Química (Ácido Base, Sal e Óxido, Soluções, Classificação dos elementos e suas propriedades), da Biologia (Microbiologia, Conceito de vida, classificação dos seres vivos e evolução, Interações entre Biótopos e a Comunidade, Ecologia, Conceito de Nicho Ecológico, Tipos de Biomas, Citologia: Estrutura da célula, transporte celular e Osmose; Conceitos de Metabolismo, Componentes Orgânicos e Inorgânicos das células etc) e da física (Termodinâmica). No anexo 1, é apresentado um exemplo de experimento que permite o crescimento e isolamento de extremófilos halófilos, através de microhabitats simples de fácil alcance e sugere que se prepare um meio de cultura rico, adicionando NaCl para concentração final de 15% (p/v) e distribuí-los por tubos de ensaio rolhados, depois

38 26 esterilizá-los em autoclave, inocular as amostras sugeridas e os observar durante um período de tempo (BRAGA, 2006) Metanogênicos As Archaea metanogênicas são microrganismos anaeróbios obrigatórios, que requerem condições anóxicas de crescimento, e altamente redutoras, com potenciais de oxi-redução na ordem de 300 mv (VAZOLLER et al, 1999). Provavelmente, a característica mais evidente das metanogênicas está relacionada com sua especificidade de substratos para crescimento e produção de metano. São conhecidos até o momento dez substratos para a metanogênese: formiato, monóxido de carbono, metanol, 2-propanol, aminas metiladas, dimetilsulfeto, metilmercaptanas e acetato, sendo universal o dióxido de carbono, que necessita de hidrogênio como doador de elétrons (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; STETTER, 1999). Os metanogênicos apresentam metabolismo quimiorganotrófico ou autotrófico. Apesar de requererem condições fastidiosas para crescimento e anaerobiose obrigatória, esses organismos são amplamente distribuídos na natureza, sendo encontrados em diversos ambientes associados à decomposição de matéria orgânica e/ou atividades geoquímicas. As Archaea metanogênicas atuam no passo final de consórcios microbianos presentes em sedimentos aquáticos, pântanos, gêisers, interior de árvores e sistemas de tratamento de resíduos, como biodigestores anaeróbios e aterros sanitários. Sob o ponto de vista ecológico, o metabolismo metanogênico é dependente da presença de outros microrganismos, cuja atividade no meio anaeróbio gera os precursores para a metanogênese (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; STETTER, 1999). A bioquímica da formação de metano é encontrada apenas nas Archaea metanogênicas. A metanogênese é uma reação que proporciona um fluxo de prótons nas células e pode suportar um mecanismo quimiosmótico de produção de energia e ATP (Adenosina Tri-fosfato). A produção de metano pode, portanto, ser encarada como

39 27 um marcador taxonômico para a identificação de Archaea (MADIGANE MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999; STETTER, 1999). Neste grupo se pode observar também, as várias possibilidades de se trabalhar conteúdos interdisciplinares como: Conceito, Nomenclatura e estudos dos elementos orgânicos tais como: isomeria e reações orgânicas. Bioquímica, no que se diz respeito a produção de metano e a produção de ATP, Tipos de Biomas, Citologia, Conceito de Metabolismo, Componentes orgânicos e inorgânicos das células Termófilos e hipertermófilos No contexto de extremofilia, a descoberta contemporânea mais surpreendente foi sem dúvida a dos organismos hipertermófilos por Karl O. Stetter, que obrigou à extensão para cerca de 115ºC do limite superior da gama de temperatura em que células vivas proliferam eficientemente (temperatura ótima) (Blöchl et al., 1997 Apud SANTOS et al., 2001). Figura 7. Figura 7: Perfil de crescimento do hipertermófilo Pyrolobus fumarii em função da temperatura. Nota-se que o organismo não cresce abaixo de 95 ºC (Blöchl et al., 1997 Apud SANTOS et al., 2001).

40 28 Termófilos reproduzem ou crescem a temperatura acima de 55 ºC. Alguns hipertermófilos vivem em ambientes mais quentes, podendo superar 100 ºC, o que corresponde ao ponto de ebulição da água no nível do mar. A maioria das variedades comuns de bactérias crescem mais rápido em temperaturas entre 25 e 40 ºC. Além disso, nenhum animal ou planta tolera temperaturas acima de, aproximadamente, 50ºC e nenhum microrganismo eucarioto descoberto pode tolerar exposição por longa duração a temperaturas mais altas que aproximadamente 60ºC (MADIGAN e MARRS, 1997; VAZOLLER et al., 1999). Experimentos realizados em laboratório mostram que culturas de termófilos e hipertermófilos na fase exponencial de crescimento sobrevivem ao tratamento em autoclave (121 C) por 1 hora (VAZOLLER et al., 1999). A termofilia requer adaptações fisiológicas especializadas, pois as proteínas e ácidos nucléicos não podem ser desnaturados e a membrana deve manter-se funcional nestas temperaturas. (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al.,1999; STETTER, 1999) Esta característica notável, implica estabilização de todos os componentes celulares de modo que a sua funcionalidade seja mantida em condições de temperatura que seriam danosas para a maioria das biomoléculas, como exposto na Figura 8 (SANTOS et al., 2001; GOMES et al., 2007).

41 29 Figura 8: Perfil de atividade de uma enzima intracelular de um extremófilo (síntese do manosilfosfoglicerato) em função da temperatura. A enzima apresenta atividade máxima entre 90 C e 100 C (adaptado: Empadinhas et al., 2001 Apud Santos et al., 2001) Adaptação à termofilia A adaptação de um determinado microrganismo à termofilia envolve aspectos cruciais, como ajustamento da membrana citoplasmática, das proteínas e do DNA às temperaturas acima da faixa mesofílica. (MADIGAN E MARRS, 1997; VAZOLLER et al.,1999; STETTER, 1999; Gomes et al., 2007) As diferenças entre as membranas de termófilos e de mesófilos consistem, principalmente, na substituição de ácidos graxos insaturados por ácidos graxos saturados, de modo que a membrana adquira um equilíbrio entre densidade e fluidez, necessário para a manutenção de sua integridade física e funcional em temperaturas elevadas. Os ácidos graxos saturados geram ambiente mais fortemente hidrofóbico que os insaturados, auxiliando na estabilidade da membrana. Essa adaptação ocorre nos Domínios Bactéria e Eukarya (Reino Fungi). No Domínio Archaea, as membranas apresentam lipídeos formados por ligação éter entre o glicerol e um hidrocarboneto (cadeias hidrofóbicas longas formadas por repetidas unidades do composto contendo