Evolução da vida microbiana na Terra

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1 Evolução da vida microbiana na Terra Aula 2 - Microbiologia FFI0751 Profa. Dra. Ilana L. B. C. Camargo Evolução da vida microbiana na Terra Terra: ~ 4,6 bilhões de anos (dados isótopos radioativos de decaimento lento); Evidências da vida microbiana: 3,5 bilhões de anos; Microfósseis procarióticos em rochas; Estromatólitos (massas microbianas fossilizadas) Formados por camadas de procariotos filamentosos e sedimentos aprisionados Comparando estromatólitos antigos com os modernos, concluiu-se que os antigos eram formados por bactérias fototróficas filamentosas anoxigênicas. 2 1

2 Estromatólito moderno composto por cianobactérias termofílicas, em um lago termal no Parque Nacional de Yellowstone (EUA). Cada estrutura têm aproximadamente 2 cm de altura. 3 Evolução da vida microbiana na Terra Condições na Terra remota: Gases mais abundantes: CH 4, CO 2, N 2, NH 3. Traços de CO, H 2 e sulfeto (H 2 S+FeS). Temperatura ~ 100 o C, não havia água na forma livre. Resfriamento acúmulo de água na forma livre Primeiras formas de vida celular tolerantes ao calor! (~ procariotos termófilos atuais) Fontes de energia na Terra primitiva radiação de UV; descargas elétricas (relâmpagos); radioatividade; calor do impacto de meteoritos; energia térmica dos vulcões Energia + Mistura gasosa eram produzidas moléculas bioquimicamente importantes (açúcares, aminoácidos, pirimidinas, purinas, ácidos graxos). 4 2

3 Bacteria remotas Archaea remotas Último ancestral Universal Comum Assume codificação genética RNA atuava tanto como agente catalítico quanto como codificador genético. Primeiros sistemas autorreplicantes Elevação submarina formada em uma fonte hidrotermal no oceano remoto da Terra Principais marcos da evolução biológica 6 3

4 Teoria da Endossimbiose 4

5 Aquisição de bactéria quimiorganotrófica (metabolismo aeróbio facultativo) mitocôndria; Cianobactéria fotossíntese oxigênica cloroplasto FORMAÇÃO DA CÉLULA Núcleo surgiu espontaneamente em resposta ao tamanho do genoma do eucarioto remoto; Hipótese do Hidrogênio: Primeiro Bacteria (consumidor de O 2 e produtor de H 2 ) foi incorporado em Archaea; Núcleo surge após passagem dos genes que produzem lipideos para o hospedeiro sistema membranoso Replicação e expressão mais eficientes Comparação de células Procarióticas e organelas Eucarióticas Célula procariótica Célula Eucariótica Organelas Eucarióticas DNA Circular Linear Circular Histonas Proteínas semelhantes às Sim Não Ribossomos histonas 70S 80S Semelhantes na sequência e São inibidos pelos mesmos antibiótico 70S Crescimento Fissão Binária Mitose Fissão Binária 5

6 Evolução Microbiana Evolução Descendência com modificação DNA alterado de um organismo e a herança daquela alteração pela geração seguinte Mutação Alterações na sequência nucleotídica do genoma de um organismo (erros de fidelidade na replicação, radiação da luz UV...). Essenciais para que a vida seja capaz de modificarse e adaptar-se por seleção natural. Mutações adaptativas Aprimoram adequação, aumentam capacidade de sobrevivência ou de reprodução Mutações danosas Diminuem a adequação Mutações neutras Maioria sem benefício ou prejuízo. Acumulam-se no organismo. Evolução Microbiana Duplicação gênica Perda gênica Transferência horizontal de genes 6

7 Filogenia História evolutiva de um grupo de organismos. A análise das diferenças nas sequências de DNA dentre as bactérias permite reconstruir sua história filogenética. Análise evolutiva Conhecer a história Premissa Todas as bactérias são relacionadas por descendência e que a sequência do genoma de uma bactéria é um registro da ascendência da bactéria Relações evolutivas entre os microrganismos Relações evolutivas entre os metazoários; melhor compreendida registros fósseis. Estudos moleculares de ácidos nucléicos ferramenta importante para a filogenia microbiana. Escolha de um cronômetro evolutivo: moléculas que podem fornecer indicação de alteração evolutiva dentro de um determinado grupo/domínio. Mais utilizada: genes que codificam RNA ribossômico Distribuição universal no grupo estudado Funcionalmente homóloga em cada organismo Sequência conservada ao longo de grandes distâncias filogenéticas 14 7

8 Genes utilizados na análise filogenética Genes que codificam o RNA ribossômico da subunidade menor rrna 16S e seu equivalente eucariótico rrna 18S 1) Distribuídos universalmente 2)Funcionalmente constantes 3)Conservados (Modificam-se lentamente) 4) Tamanho adequado, permitem visão da evolução englobando todos os seres vivos rrna 16S: várias regiões altamente conservadas (facilita alinhamento preciso de sequências) e variabilidade suficiente em outras regiões, tornando-o um excelente cronômetro filogenético. 16 8

9 Diferenças entre ribossomos: procarioto x eucarioto Sequenciamento de um gene de RNA ribossômico e filogenia Regiões altamente conservadas que permitem alinhamento preciso das sequências Variabilidade suficiente em outras regiões cronômetro evolutivo 18 9

10 Correção estatística: Mutação pode ser reversível ou mutações no mesmo sítio 01/03/2016 Preparo de uma árvore filogenética a partir de sequências de rrna 16S. Questão de nós e ramos Nós das pontas dos ramos = linhagens atuais Nós internos = ancestrais Ramos definem: 1) Ordem de descendência 2) Ancestralidade dos nós 3) Comprimento do ramo = número de alterações que ocorreram ao longo daquele ramo Preparo de uma árvore filogenética a partir de sequências de rrna 16S. Árvore filogenética corresponde à maior aproximação possível da real filogenia de um grupo 20 10

11 Classificação 3 Domínios de Carl Woese 4 Reinos dentro do Domínio Eucarya!! Tortora et al., Microbiologia 6ª Edição, 2000 Árvore filogenética da vida, definida a partir de comparações entre sequências de RNA ribossômicas. Indica o posicionamento evolutivo mais provável dos organismos, uns em relação aos outros 22 11

12 Árvore filogenética universal Aquifex e Methanopyrus estão mais estreitamente relacionados aos organismos primitivos que, por exemplo, as espécies de Proteobacteria Análise do rrna 16S rrna 18S 23 Bactérias - Do Latim bacteria, singular: bacterium; - Unicelulares, simples e pequenos; - Material genético não está envolto por membrana nuclear Procariotos Pré-núcleo Bactérias Bacteria e Archaea 12

13 25 Vírus Depende do ponto de vista agregações extremamente complexas de substâncias químicas ou microrganismos extremamente simples. -Possuem um único tipo de ácido nucléico (DNA e RNA) e uma cobertura protéica envolvida por um envelope composto de lipídeos, proteínas e carboidratos; -São parasitas intracelulares obrigatórios; 13

14 Classificação dos microrganismos Sistemática: ciência dedicada a inventariar e descrever a biodiversidade e compreender as relações filogenéticas entre os organismos. Taxonomia: ciência da identificação, classificação e nomenclatura. Filogenia: Ciência que estuda e estabelece as relações evolutivas entre os organismos

15 Sistemática Examina a evolução da diversidade biológica e combina dados das seguintes áreas: - Dados de fósseis - Homologias comparativas (similaridade de estruturas ancestral) - Sequenciamento de DNA/RNA entre os organismos Image: NBII gov, CSS Inc. Sistemática: ciência dedicada a inventariar e descrever a biodiversidade e compreender as relações filogenéticas entre os organismos. Taxonomia: ciência da identificação, classificação e nomenclatura. Filogenia: Ciência que estuda e estabelece as relações evolutivas entre os organismos

16 Taxonomia Classificação Identificação Nomenclatura 30 milhões de organismos vivos 10% foram descobertos, menos ainda foram classificados e identificados Ilana Camargo Taxonomia microbiana Taxonomia clássica: leva em conta características fenotípicas 32 16

17 Métodos microbianos clássicos utilizados na identificação de uma bactéria entérica. 33 Taxonomia microbiana Taxonomia molecular: métodos de análise de uma dentre as várias biomoléculas presentes na célula. Hibridização DNA-DNA Ribotipagem Análises lipídicas 34 17

18 Hibridização DNA-DNA 35 Hibridização DNA-DNA Hibridização de 70% ou mais = mesma espécie Mínimo de 20-30% = mesmo gênero < 10% - organismos não relacionados 36 18

19 Ribotipagem 1. PCR da região gênica do rrna 2. Clivagem com enzima de restrição 3. Eletroforese 4. Sondas específicas marcadas 5. Molecular Fingerprinting (Impressão digital molecular) Análise de metil éster de ácido graxo (MEAG) na identificação bacteriana Caracterizar tipos e proporções de ácidos graxos presentes nos lipídeos de membrana e de membrana externa 38 19

20 Conceito de espécie e táxons superiores Espécie: população de indivíduos capaz de realizar cruzamentos, em condições naturais, gerando uma prole fértil. Plantas e animais Definição não é adequada para procariotos (haplóides): reprodução assexuada faz a definição perder o significado. Abordagem polifásica é necessária para se chegar a espécie Testes genéticos e fenotípicos (hibridização de DNA e rrna 16S) Conceito de espécie na microbiologia fornece a identidade taxonômica formal ao conjunto de linhagens; Grupos de espécies são reunidos em Gêneros 39 Conceito de espécie e táxons superiores Conjuntos de gêneros são reunidos em famílias; famílias em ordens; ordens em classes e assim por diante até domínio. Image : L Pengo, Wiki 20

21 Nomenclatura Binomial Desenvolvida no século XVIII; Todo organismo recebe dois nomes (Binômio) Gênero e epíteto específico (espécie) Ambos devem ser escritos em itálico ou sublinhado Gênero SEMPRE COM LETRA MAIÚSCULA e sempre substantivo epíteto específico sempre com letras minúsculas e geralmente um adjetivo NOMENCLATURA BINOMIAL: Enterococcus faecalis ou Enterococcus faecalis Nomenclatura Binomial 42 21

22 43 Comissão Internacional de Bacteriologia Sistemática Regras para denominação de novas bactérias classificadas e resignação destas para um taxon. Código Bacteriológico Nomenclatura Binomial Nomes derivados do latim (grego para gêneros) Sufixos ales e aceae para Ordem e Família Descrições das bactérias e das evidências de sua classificação International Journal of Systematic Bacteriology (validação nome) Bergey s Manual of Systematic Bacteriology 22

23 Depósito em Coleções de Culturas Cultura viável deve ser depositada ATCC American Type Culture Collection (Manassas, Virginia, EUA) DSMZ Coleção Alemã de Microrganismos (Braunschweig, Alemanha) Linhagem padrão (viva) para comparações congelamento (-80 C ou -196 C) Liofilização Nomenclatura Binomial Março,

24 Curiosidade!! Pena que errou na nomenclatura da bactéria!! Klebsiella 24

25 Histórico da Microbiologia Histórico da Microbiologia Descoberta dos MO s associada à invenção do microscópio. Robert Hooke, 1664, Inglaterra - observou pedaço de cortiça; base da Teoria celular. Antoni van Leeuwenhoek, 1673, Holanda animálculos em água de chuva e outros materiais. Carta à Sociedade Real de Londres 25

26 Tipo de microscópio usado por Leeuwenhoek. Fornecia aumento de aprox. 300X. Desenhos de MO s (provavelmente bactérias) feitos por Leewenhoek. Sec. XIX Duas grandes questões biológicas levaram ao desenvolvimento de técnicas laboratoriais essenciais: O debate sobre a geração espontânea (Louis Pasteur) A natureza das doenças infecciosas (Robert Koch) 26

27 Geração espontânea prós e contras Francesco Redi (1668): experimentos com carne apodrecidas. John Needham (1745): o aquecimento de caldos nutrientes (de galinha ou milho) não prevenia o aparecimento de MO s. Lazaro Spallanzani (1765): refutou experimentos de Needham. A fervura de frascos previamente lacrados impedia o crescimento de MO s. (crítica de Needham: o lacre impedia a entrada da força vital necessária). Rudolf Wirchow (1858): introduziu conceito da biogênese ( células vivas somente podem surgir de células vivas préexistentes ). Louis Pasteur (1861): experimentos que refutaram definitivamente a teoria da geração espontânea. O experimento de Pasteur 27

28 O experimento de Pasteur 2004 Pearson Education, Inc. O experimento de Pasteur 2004 Pearson Education, Inc. 28

29 O experimento de Pasteur 2004 Pearson Education, Inc. Teoria do germe da doença 29

30 Teoria do germe da doença Experimentos de Pasteur: base das técnicas de assepsia. Pasteurização: para resolver problema de vinhos e cervejas que azedavam por causa das bactérias (álcool ácido acético). Relação entre deterioração dos alimentos e os microrganismos colaborou para a Teoria do germe da doença. Teoria do germe da doença Doenças: punição para os pecados individuais ou crimes. Causa: demônios nos detritos ou nos vapores dos pântanos. 1865: Pasteur descobre a causa da doença do bichoda-seda (protozoário). 1860: Joseph Lister tratou ferimentos cirúrgicos com fenol redução drástica de infecções e mortes. 30

31 Teoria do germe da doença Robert Koch, médico prático alemão, 1876: comprovou a teoria do germe da doença. Koch estudou o antraz (carbúnculo) doença de gado e ovelhas e descobriu o agente causador Bacillus anthracis. Problema! Como afirmar que a bactéria presente no sangue do animal afetado é o agente causador da doença? Postulados de Koch 1. O organismo patogênico suspeito deve estar presente em todos os casos da doença e ausente em animais sadios. 2. O organismo suspeito deve ser cultivado em cultura pura. 3. Células de uma cultura pura do organismo suspeito devem provocar a doença em um animal sadio. 4. O organismo deve ser isolado e caracterizado como o mesmo encontrado originalmente. 31

32 Exceções aos postulados de Koch Exceções aos postulados de Koch 1) Nem todos os microrganismos crescem em meios de cultura; 2) Um conjunto de sinais e sintomas podem ser os mesmos em várias doenças; 3) Um microrganismo pode causar várias doenças. 32

33 Exceções aos postulados de Koch Não são cultivados em meio artificial: Treponema pallidum: sífilis Mycobacterium leprae: lepra Riquétsias e vírus: multiplicam-se somente dentro das células Diversidade Microbiana 1910 Paul Ehrlich Bala Mágica para combater um patógeno sem prejudicar o hospedeiro Dentre várias substâncias testadas salvarsan (derivado de arsênico) para o combate à Sífilis Antes disso, a única substância utilizada pelos Europeus era a quinina, extraída de casca de árvore sul-americana para o tratamento da malária 33

34 Diversidade Microbiana -Alexander Fleming, médico e bacteriologista escocês Contaminação por fungo em placa alerta para substância inibidora do crescimento bacteriano 1928, Penicillium notatum Penicilina 1940 Importância médica da Penicilina 34

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36 Bibliografia Madigan et al., Microbiologia de Brock. São Paulo:Artmed, 12ª ed., Cap. 1, 2 e 14. Livro em inglês: Madigan et al., Brock. Biology of the microorganisms. Ed. Benjamin Cummings, 13 rd ed, Cap. 1, 2 e