Aula 1 - Evolução e Filogenia Microbianas. Archaea.pdf

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


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)


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 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)


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


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


Árvore molecular baseada em comparações de sequência de rRNA. Só estão esquematizadas algumas linhas evolutivas.


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)


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%


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


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


Mapa da ecologia do Domínio Archaea


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



Eubacteria vs Archaea

Composição da parede => coloração Gram não conclusiva

Estrutura da parede:

≈ Gram –

≈Gram +

Pyrobaculum aerophilum

a


Eubacteria vs Archaea Estrutura da membrana ≠: Lípidos ≠; Ligações éter

Bacteria, Eukaria

Archaea


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


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


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.

http://science.nasa.gov/newhome/headlines/images/volcano_solfatara2.jpg


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


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

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