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UNIDADE 1 CLÍNICA Microbiologia e Parasitologia Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação Prezado estudante, Estamos começando uma unidade desta disciplina. Os textos que a compõem foram organizados com cuidado e atenção, para que você tenha contato com um conteúdo completo e atualizado tanto quanto possível. Leia com dedicação, realize as atividades e tire suas dúvidas com os tutores. Dessa forma, você, com certeza, alcançará os objetivos propostos para essa disciplina. Objetivo Geral Proporcionar uma compreensão integrada da evolução da microbiologia, das bases celulares e classificatórias dos microrganismos, bem como das principais técnicas laboratoriais e normas de segurança, preparando o aluno para reconhecer a relevância dos microrganismos na saúde humana e na prática laboratorial. unidade 1 Parte 1 Breve Histórico da Microbiologia O conteúdo deste livro é disponibilizado por SAGAH. unidade 1 10 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Identificar os principais acontecimentos na evolução da microbiologia. > Explicar o impacto da antibioticoterapia na resistência microbiana. > Reconhecer o papel do profissional de saúde no estudo da microbiologia. Introdução A microbiologia é a ciência que estuda os microrganismos e a sua relação com o meio em que habitam. As bactérias são o grupo mais extenso e complexo da microbiologia, pois compreendem células muito pequenas que estão relacionadas a inúmeros processos infecciosos. A microbiologia também estuda a ecologia e identifica como os microrganismos vivem na Terra. Os microrganismos são responsáveis pelo equilíbrio da vida e estão pre- sentes em diversos meios, como em lagos, rios e oceanos, no solo e no ar. Os microrganismos também possuem muitas aplicações comerciais: são utilizados na síntese de produtos químicos, como vitaminas, e na indústria alimentícia, como na fermentação do pão. Neste capítulo, você vai estudar a relação entre os microrganismos, seres muito pequenos, que geralmente requerem o auxílio de um microscópio para serem visualizados, e o hospedeiro. Essa relação pode envolver efeitos benéficos ou processos infecciosos no corpo humano. Você também vai verificar os prin- Breve histórico da microbiologia Lisiane da Luz Rocha Balzan Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Breve Histórico da Microbiologia | PARTE 1 11 cipais acontecimentos na evolução da microbiologia. Por fim, você vai estudar a resistência antimicrobiana e as opções de tratamento e vai verificar o papel do microbiologista na área da saúde. A evolução da microbiologia Os microrganismos são o foco da microbiologia e consistem em organismos que só podem ser vistos ao microscópio. Nessa classificação estão incluídos as bactérias, os vírus, os fungos, os protozoários, as algas unicelulares e os ácaros. As bactérias são organismos com uma única célula, conhecidos como unicelulares, além de serem procariontes — ou seja, não têm um núcleo celular definido. As células bacterianas apresentam várias formas; bacilos (semelhantes a bastões), cocos (esféricos ou ovoides) e espirais (espiralados ou curvados) estão entre as formas mais comuns. As bactérias individuais podem formar pares, cadeias, grupos ou outros agrupamentos; essas formações geralmente são características de um gê- nero particular ou de uma espécie de bactéria. As bactérias são envoltas por uma parede celular que é praticamente composta por um complexo de carboidrato e proteína, chamado de peptidoglicano (TORTORA; F UNKE; CASE, 2017). O esquema de classificação taxonômica dos procariontes se di- vide em dois domínios: Bacteria e Archaea. Cada domínio é divido em filos, que, por sua vez, se dividem em classes. Já um grupo de espécies forma um gênero, e gêneros relacionados formam uma família. Um grupo de famílias similares constitui uma ordem, e um grupo de ordens similares forma uma classe (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). A Figura 1 demonstra esses conceitos. Breve histórico da microbiologia2 12 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Figura 1. Classificação taxonômica. Fonte: Adaptada de Tortora, Funke e Case (2017). As bactérias são caracterizadas na rotina laboratorial pelo método de Gram. A metodologia tem baixo custo, é de fácil execução e permite separar as bactérias em Gram negativas (GN) e Gram positivas (GP). Os microrganis- mos GN perdem o complexo primário e fixam a fucsina (cor vermelha), e os GP retêm o complexo cristal violeta-lugol (cor roxo-escura) (XAVIER; DORA; BARROS, 2016). Já as chamadas micobactérias apresentam uma parede celular com alta concentração de lipídeos, denominados ácidos micólicos. Elas são respon- sáveis pela impossibilidade de serem coradas pelo método de Gram; são classificadas como acidorresistentes, uma vez que resistem à descoloração por álcool-ácido após serem coradas por carbol-fucsina. Breve histórico da microbiologia 3 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Breve Histórico da Microbiologia | PARTE 1 13 Por sua vez, os vírus são partículas compostas por um cerne interno que contém ácido desoxirribonucleico (DNA) ou ácido ribonucleico (RNA). Alguns vírus apresentam uma membrana lipoproteica externa, denominada envelope, que circunda a camada proteica. Os vírus não possuem núcleo, citoplasma, mitocôndrias nem ribossomos, diferentemente dos fungos e protozoários, que possuem núcleo, citoplasma, mitocôndrias e ribossomos (LEVINSON, 2016). Já os fungos são organismos eucariontes — suas células possuem material genético (DNA e RNA) — e abrangem as leveduras unicelulares, os bolores multicelulares e espécies macroscópicas, como os cogumelos. Possuem uma ampla variedade — são mais de 100 mil espécies conhecidas de fungos, e apenas cerca de 200 são patogênicas aos seres humanos e aos animais. Os fungos também possuem ação benéfica no ecossistema, pois absorvem a matéria orgânica dissolvida através de sua membrana plasmática, para obter matéria-prima para as funções vitais. No entanto, ultimamente, o número de infecções fúngicas em unidades hospitalares tem aumentado, principalmente em indivíduos imunocomprometidos. Por fim, os protozoários são um grupo grande e diversificado de mi- crorganismos eucariontes. A classificação de suas espécies se dá em filos, que são baseados em dados de DNA e na morfologia. Os protozoários são encontrados no solo e na água e como parte da microbiota normal de ani- mais. Existe um grupo de microrganismos patogênicos ao homem, sendo de extrema importância o diagnóstico adequado para a escolha do tratamento (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). Evolução da microbiologia Para promover a organização e a classificação dos microrganismos, em 1735, foi criado por Carolus Linnaeus o sistema de nomenclatura com origem no latim. A nomenclatura de cada microrganismo é composta por dois nomes, em que o primeiro nome representa o gênero, sendo sempre iniciado com letra maiúscula, e o segundo nome representa a espécie, sendo escrito sempre em letra minúscula. O organismo é identificado pelos dois nomes, o gênero e a espécie, e ambos são escritos em itálico ou sublinhado, de acordo com o seguinte exemplo: Escherichia coli. Por convenção, após um nome científico ter sido mencionado uma vez em um texto, ele pode ser abreviado com a inicial do gênero seguida pela espécie — por exemplo: E. coli. No ano de 1876, Robert Koch (1843-1910), um médico alemão, trouxe a primeira evidência de que as bactérias causavam doenças. Koch foi res- Breve histórico da microbiologia4 14 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA ponsável por descobrir a causa da doença antraz, que estava destruindo os rebanhos de gado e ovelhas na Europa. Koch descobriu bactérias em forma de bacilos, conhecidas atualmente como Bacillus anthracis, no sangue dos animais.Células eucarióticas normalmente possuem genomas muito maiores do que as procarióticas. Uma célula humana, por exemplo, contém 1.000 vezes mais DNA do que uma célula de E. coli e cerca de sete vezes mais genes (MADIGAN et al., 2016). Microrganismos de importância agrícola e suas interações com artrópodes A agricultura se beneficia da ciclagem de nutrientes pelos microrganismos. Por exemplo, um grande número de espécies vegetais que alimentam os seres humanos e animais domésticos são as leguminosas. As leguminosas vivem em estreita associação com bactérias que formam estruturas denominadas nódulos em suas raízes. Nesses nódulos, essas bac- térias convertem o nitrogênio atmosférico (N2) em amônia (NH3, o processo de fixação de nitrogênio), que as plantas utilizam como fonte de nitrogênio para seu crescimento (Figura 1). A fixação de nitrogênio também elimina a necessidade de utilização por parte dos agricultores de fertilizantes nitro- genados dispendiosos e poluentes. Classificação dos microrganismos 5 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação dos Microrganismos | PARTE 3 49 Figura 1. Microrganismos na agricultura moderna. Fonte: Madigan et al. (2016, p. 10). Também de grande importância agrícola são os microrganismos que habi- tam o rúmen de animais ruminantes, como o gado bovino e o ovino. O rúmen é um ecossistema microbiano no qual densas populações de microrganismos realizam a digestão e a fermentação do polissacarídeo celulose, o principal componente das paredes celulares vegetais. Na ausência desses microrga- nismos simbióticos, os ruminantes não poderiam desenvolver-se a partir de substâncias ricas em celulose (porém pobres em nutrientes), como capim e feno. Muitos mamíferos domésticos e herbívoros selvagens — incluindo veados, bisões, camelos, girafas e cabras — também são ruminantes (BROOKS et al., 2014). As células vegetais também podem ser multiplicadas em cultura, modifica- das por técnicas de rDNA e, em seguida, utilizadas para a geração de plantas geneticamente modificadas. Plantas geneticamente modificadas apresen- tam muitas vantagens para a produção de agentes terapêuticos humanos, incluindo vacinas e anticorpos. As vantagens incluem produção agrícola em larga escala e de baixo custo, além de um baixo risco de contaminação do produto de interesse por patógenos de mamíferos ou por genes que causam câncer (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). Classificação dos microrganismos 6 50 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Ainda conforme os autores, o papel dos microrganismos na produção de alimentos é de extrema importância. Por exemplo, certas leveduras, quando cultivadas em determinadas condições, poderiam produzir cerveja, enquanto determinadas bactérias poderiam deteriorar a bebida. Os especialistas pu- deram controlar melhor a qualidade de seus produtos. A indústria cervejeira investigou extensivamente o isolamento e a identificação de leveduras e selecionou aquelas que poderiam produzir mais álcool. O processo de esterilização de alimentos tem grande importância na indústria. Alguns alimentos ácidos, como tomates ou conservas, são pre- servados pelo processamento em temperaturas de 100°C. A razão é que os únicos organismos deteriorantes que cresceriam nesses alimentos ácidos são facilmente mortos em temperaturas de até 100°C. Os microrganismos são, principalmente, fungos filamentosos, leveduras e certas bactérias vegetativas. A febre hemorrágica de Junin, também conhecida como a febre he- morrágica Argentina, é um sério problema de saúde pública e afeta regiões agrícolas daquele país. Possui altas taxas de mortalidade — em torno de 10 a 15% nos pacientes que não recebem tratamento. A doença afeta princi- palmente trabalhadores de plantações de milho e de trigo, pois são expostos ao roedor reservatório Calomys musculinus. O vírus Junin provoca imunodepressão tanto humoral quanto celular, e a mortalidade está relacionada a febre hemor- rágica causada no infectado (BROOKS et al., 2014). Referências BROOKS, G. F. et al. Microbiologia médica de Jawetz, Melnick e Adelberg. 26. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. E-book. MADIGAN, M. T. et al. Microbiologia de Brock. 14. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016. E-book. TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 12. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. E-book. Leituras recomendadas BARROS, E.; MACHADO, A.; SPRINZ, E. (Orgs.). Antimicrobianos: consulta rápida. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2013. E-book. LEVINSON, W. Microbiologia e imunologia médicas. 13. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016. E-book. XAVIER, R. M.; DORA, J. M.; BARROS, E. (Org.). Laboratório na prática clínica: consulta rápida. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016. E-book. Classificação dos microrganismos 7 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação dos Microrganismos | PARTE 3 51 ENCERRA AQUI O TRECHO DO LIVRO DISPONIBILIZADO PELA SAGAH PARA ESTA PARTE DA UNIDADE� PREZADO ESTUDANTE Parte 4 Classificação e Identificação Bacteriana O conteúdo deste livro é disponibilizado por SAGAH. unidade 1 54 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Listar os principais grupos de bactérias de relevância clínica. > Identificar os testes fenotípicos utilizados para agrupamento de bactérias. > Reconhecer as principais características morfológicas de cultivos bac- terianos. Introdução A identificação microbiana é uma área essencial da microbiologia, permitindo detectar e classificar microrganismos que habitam diversos ambientes, in- cluindo o nosso corpo. Esses microrganismos desempenham papéis essenciais em vários processos biológicos e ecológicos, influenciando desde a saúde humana até a qualidade do meio ambiente. A diversidade microbiana é imensa, e a capacidade de identificar e caracterizar diferentes espécies é fundamental para a pesquisa, o diagnóstico clínico e o controle de infecções. Além disso, a identificação precisa de microrganismos é vital para que possamos compreender as interações ecológicas e as dinâmicas populacionais em ecossistemas variados. Com o avanço das tecnologias, novas metodologias têm sido desenvolvidas para melhorar a eficiência e a precisão na identifica- ção de microrganismos. Essas inovações não apenas facilitam a detecção de Classificação e identificação bacteriana Scheila Iria Kraus Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 55 patógenos em ambientes clínicos, mas também possibilitam a exploração da biodiversidade microbiana em habitats naturais e artificiais. Neste capítulo, você vai explorar as principais técnicas de identificação micro- biana, que abrangem desde métodos tradicionais, como cultivo e coloração, até abordagens mais avançadas, como a biologia molecular. Serão discutidos os fatores que influenciam a identificação, como o tipo de meio de cultura e as condições de incubação, além da importância de uma análise cuidadosa das características fenotípicas e genotípicas. Ao final, você compreenderá como esses conhecimentos são aplicados na prática, contribuindo para o diagnóstico de doenças infecciosas e para a compreensão da biodiversidade microbiana. As bactérias e sua relevância clínica O universo microscópico das bactérias é fascinante e essencial para a vida, moldando não apenas ecossistemas, mas também a saúde humana. Estes minúsculos organismos, que habitam praticamente todos os ambientes da Terra, desempenham papéis cruciais na digestão, na produção de vitaminas e na proteção contra patógenos. A interação entre bactérias e humanos, no entanto, é invariavelmente complexa: enquanto algumas cepas são benéficas e essenciais para a nossa sobrevivência, outras podem nos causar doenças fatais. Desta maneira, o equilíbrio entre essas interações é fundamental,tornando-se objeto de estudo das mais variadas disciplinas (Tortora; Funke; Case, 2017). A classificação precisa das bactérias é um dos pilares fundamentais da microbiologia clínica, desempenhando um papel importante não apenas na prática médica, mas também em diversos outros contextos. A identificação correta dos diferentes grupos bacterianos permite que os profissionais de saúde diagnostiquem infecções com maior precisão, escolham tratamentos adequados e previnam a propagação de doenças. Conhecer, por exemplo, a espécie bacteriana envolvida em uma infecção é essencial para orientar o uso de antibióticos específicos, garantindo uma abordagem terapêutica eficaz e minimizando a resistência bacteriana. Assim, além de ser uma questão acadêmica, a taxonomia bacteriana é uma ferramenta vital no contexto de saúde pública (Tortora; Funke; Case, 2017). Classificação e identificação bacteriana2 56 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA A classificação bacteriana é um sistema que organiza as bactérias em categorias hierárquicas, facilitando o estudo e a compreensão desses micror- ganismos. Historicamente, o primeiro sistema de classificação foi proposto por Carl Linnaeus no século XVIII, que utilizou um método binomial para nomear os organismos, estabelecendo gêneros e espécies. Com o avanço da microbiologia, a classificação bacteriana avançou significativamente. No século XIX, cientistas como Louis Pasteur e Robert Koch contribuíram para a identificação de diferentes bactérias patogênicas, levando à necessidade de um sistema mais elaborado. A partir do século XX, a introdução da mi- croscopia eletrônica e o desenvolvimento de técnicas de cultura melhoradas possibilitaram a visualização de novas espécies (Madigan et al., 2016). Atualmente, a classificação bacteriana é baseada em características como morfologia, composição genética, metabolismo e comportamento em testes bioquímicos. O uso de sequenciamento de DNA revolucionou essa área, permitindo a identificação mais precisa e a compreensão das relações evolutivas entre diferentes grupos bacterianos. Essa abordagem ajuda não apenas a identificar patógenos, mas também a explorar bactérias benéficas, essenciais para ecossistemas e saúde humana (Madigan et al., 2016). A coloração de Gram, por exemplo, é uma técnica que divide as bactérias em gram-positivas e gram-negativas, com base na estrutura de suas paredes celulares. Esta distinção é importante, pois cada grupo responde de maneira distinta a agentes externos, como antibióticos. As bactérias gram-positivas apresentam uma parede celular espessa de peptidoglicano, retendo a colo- ração violeta e aparecendo roxas sob o microscópio; são geralmente mais suscetíveis a antibióticos que atacam a parede celular. Em contraste, as gram-negativas têm uma parede celular mais fina e uma membrana externa que contém lipopolissacarídeos, o que as torna mais resistentes a antibióti- cos e as faz aparecer vermelhas ou rosas após a coloração. Essas diferenças estruturais são fundamentais para entender a patogenicidade e determinar as abordagens de tratamento para infecções bacterianas (Tortora; Funke; Case, 2017). As principais diferenças entre as bactérias gram-positivas e gram-negativas são observadas na Figura 1. Classificação e identificação bacteriana 3 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 57 Figura 1. Paredes celulares das bactérias: (a) estrutura do peptideoglicano em bactérias gram-positivas; (b) exemplo de parede celular de bactéria gram-positiva; (c) exemplo de parede celular de bactéria gram-negativa. Fonte: Tortora, Funke e Case (2017, p. 82). Além disso, a classificação bacteriana também considera a forma e o modo de organização das bactérias, como os cocos e bacilos, que podem ser encontrados em diferentes configurações, impactando o diagnóstico e tratamento das mais variadas condições de saúde Para mais informações e ilustrações gráficas, consulte a página 33 do livro Microbiologia de Brock (Madigan et al., 2016). Na sequência, vamos discutir algumas espécies bacterianas que apresen- tam relevância clínica. Classificação e identificação bacteriana4 58 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Cocos gram-positivos Os cocos gram-positivos são bactérias esféricas que apresentam uma parede celular espessa, o que os torna capazes de reter o corante cristal violeta durante a coloração de Gram. Dois dos gêneros mais significativos deste grupo são (Tortora; Funke; Case, 2017): � Staphylococcus – bactérias frequentemente encontradas na pele e nas mucosas humanas. As principais espécies incluem Staphylococcus aureus, que é conhecido por causar infecções de pele, pneumonia e intoxicações alimentares. Além disso, o Staphylococcus epidermidis é um patógeno oportunista associado a infecções em pacientes portadores de dispositivos médicos. � Streptococcus – este gênero inclui várias espécies patogênicas, como o Streptococcus pyogenes, causador de faringite, impetigo e febre reumática, e o Streptococcus pneumoniae, que está associado a pneu- monia, meningite e otite média. As infecções por estreptococos são especialmente relevantes em crianças e idosos. Bacilos gram-positivos Os bacilos gram-positivos apresentam uma forma alongada e também têm paredes celulares espessas. Dois exemplos importantes são (Tortora; Funke; Case, 2017): � Bacillus – este gênero inclui o Bacillus anthracis, o agente causador do antraz, e o Bacillus cereus, que pode causar intoxicações alimentares. A capacidade de formar esporos torna esses microrganismos resistentes a condições adversas. � Clostridium – as espécies deste gênero são conhecidas por sua capa- cidade de produzir toxinas. O Clostridium tetani é responsável pelo tétano, enquanto o Clostridium botulinum causa botulismo. Além disso, o Clostridium difficile está associado a diarreias graves, especialmente após uso de antibióticos. Cocos gram-negativos Os cocos gram-negativos possuem uma parede celular mais complexa e geralmente são menos resistentes a antibióticos. Um exemplo relevante é Classificação e identificação bacteriana 5 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 59 a Neisseria. Este gênero inclui Neisseria gonorrhoeae, que causa gonorreia, e Neisseria meningitidis, um agente patogênico significativo que causa me- ningite. A identificação precoce e o tratamento são fundamentais, devido à gravidade dessas infecções (Tortora; Funke; Case, 2017). Bacilos gram-negativos Os bacilos gram-negativos são frequentemente associados a infecções hospi- talares e apresentam resistência a múltiplos antibióticos. Exemplos notáveis incluem (Tortora; Funke; Case, 2017): � Escherichia coli – embora muitas cepas sejam comensais do trato intestinal, algumas, como E. coli O157:H7 e outras E. coli entero-he- morrágicas (ECEH), podem causar diarreias hemorrágicas e síndrome hemolítico-urêmica. � Pseudomonas aeruginosa – conhecida por sua resistência a antibióticos, é um patógeno oportunista que pode causar infecções em pacientes imunocomprometidos, além de estar frequentemente associada a infecções respiratórias em pacientes com fibrose cística. Micobactérias As micobactérias são bacilos gram-positivos que têm uma parede celular rica em lipídios, tornando-as resistentes a desinfetantes e secagem. Um exemplo notável é a Mycobacterium tuberculosis. Agente causador da tuberculose, essa bactéria é um grave problema de saúde pública, exigindo tratamento prolongado com múltiplos antibióticos (Tortora; Funke; Case, 2017). Espiroquetas As espiroquetas são bactérias helicoidais que apresentam movimento carac- terístico. O Treponema pallidum caracteriza um exemplo. Este organismo é o agente causador da sífilis, uma infecção sexualmente transmissível que podeter complicações graves se não tratada (Tortora; Funke; Case, 2017). Bactérias anaeróbicas As bactérias anaeróbicas são microrganismos que não necessitam de oxigênio para crescer. Como exemplo, temos a Bacteroides fragilis. Embora faça parte da microbiota intestinal normal, ela pode causar infecções em cavidades Classificação e identificação bacteriana6 60 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA abdominais e abscessos se ocorrerem deslocamentos para outras áreas do corpo (Tortora; Funke; Case, 2017). Neste tópico, exploramos as principais bactérias de relevância clínica, analisando suas características morfológicas, as espécies mais significativas e as doenças que podem causar. Essa compreensão é fundamental para o manejo adequado de infecções e para a aplicação de terapias específicas. No próximo tópico, abordaremos os diferentes modos de classificação dessas bactérias, discutindo os critérios utilizados para organizá-las em grupos e como essa classificação pode ajudar a identificar e tratar as infecções bacterianas. Métodos fenotípicos na microbiologia clínica A identificação de microrganismos patogênicos na microbiologia clínica é essencial para o diagnóstico e tratamento adequado de infecções. Os métodos fenotípicos são ferramentas fundamentais nesse processo, pois se baseiam em características observáveis dos microrganismos, como morfologia, me- tabolismo e resposta a diferentes substâncias. Neste tópico, abordaremos alguns testes bioquímicos, coloração de Gram, sensibilidade a antibióticos e métodos de identificação automatizados, cada qual com seus princípios, procedimentos e interpretações de resultados. Testes bioquímicos Teste de catalase Princípio: o teste de catalase detecta a presença da enzima catalase, que degrada o peróxido de hidrogênio (H2O2) em água e oxigênio. Bactérias que produzem catalase exibem bolhas ao entrar em contato com H2O2. Procedimento: uma pequena quantidade de colônia bacteriana é colocada numa lâmina de microscópio e uma gota de H2O2 é adicionada. Interpretação: a formação de bolhas indica um resultado positivo (presença de catalase), comum em estafilococos, enquanto a ausência de bolhas indica um resultado negativo, característico de estreptococos (Rawlinson; Ciric; Cloutman-Green, 2024). Teste de coagulase Princípio: o teste de coagulase identifica a capacidade da bactéria coagular o plasma sanguíneo, um fator virulento importante para Staphylococcus aureus. Procedimento: um tubo contendo plasma é inoculado com a bactéria e incubado. Classificação e identificação bacteriana 7 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 61 Interpretação: a coagulação do plasma indica um resultado positivo, en- quanto a falta de coagulação indica um resultado negativo. O teste positivo é característico de S. aureus (Chamberlain, 2009). Testes de fermentação de carboidratos Princípio: estes testes avaliam a capacidade das bactérias fermentar carboi- dratos, produzindo ácidos e, em alguns casos, gases. Procedimento: tubos contendo meio de cultura com diferentes açúcares (como glicose e lactose) e indicador de pH são inoculados com a bactéria e incubados. Interpretação: a mudança de cor no meio indica a produção de ácido, en- quanto a presença de bolhas no tubo de Durham indica produção de gás. A Escherichia coli, por exemplo, fermenta a lactose, resultando em um teste positivo (Rawlinson; Ciric; Cloutman-Green, 2024). Testes de oxidação-fermentação Princípio: estes testes diferenciam bactérias baseadas em seu metabolismo de carboidratos em condições aeróbicas e anaeróbicas. Procedimento: tubos com meio contendo um carboidrato específico são inoculados e incubados em ambientes aeróbicos e anaeróbicos. Interpretação: o crescimento e a mudança de cor em um dos ambientes ajudam a classificar as bactérias. A Pseudomonas aeruginosa, por exem- plo, é oxidativa, enquanto a Enterobacter é fermentativa (Rawlinson; Ciric; Cloutman-Green, 2024). Meios de cultura seletivos e diferenciais Princípio: meios de cultura seletivos inibem o crescimento de certas bactérias, enquanto meios diferenciais permitem a identificação de colônias baseadas em características específicas. Um exemplo de meio seletivo e diferencial de cultura é o manitol salgado, que é seletivo para estafilococos, uma vez que S. aureus fermenta manitol, mudando a cor do meio. Além disso, o meio MacConkey é seletivo para gram-negativas, considerando que lactose é fermentada por E. coli, resultando em colônias rosadas (Rawlinson; Ciric; Cloutman-Green, 2024). Classificação e identificação bacteriana8 62 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Coloração de Gram Princípio: a coloração de Gram diferencia bactérias em gram-positivas e gram- -negativas com base na estrutura da parede celular, como vimos brevemente no tópico anterior. Procedimento: As bactérias são fixadas, coradas com cristal violeta, tratadas com iodo, descoloridas com álcool e finalmente coradas com safranina. Interpretação: bactérias gram-positivas aparecem roxas, enquanto as gram- -negativas aparecem rosas, conforme demonstrado na Figura 2. Essa coloração é elementar para orientar a escolha de antibióticos. Figura 2. Coloração de Gram. Fonte: Adaptada de Bacillus subtilis Gram stain (2013), Pseudomonas fluorescens Gram Stain on Microscope Slide (2021), Pus in Gram stain showing Gram positive cocci in singles, pairs and clusters (2021) e Gram Negative Cocci (2019). Créditos: Riraq25, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons; B. Domangue, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons; Ajay Kumar Chaurasiya, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons; e BHurrell, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons. Gram-positivos Gram-negativos Ba st on et es Co co s Classificação e identificação bacteriana 9 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 63 Prova de motilidade Princípio: determina a capacidade de movimento das bactérias, que pode ser um fator de virulência. Procedimento: bactérias são inoculadas em meio semissólido. A motilidade é observada pela difusão do crescimento a partir do ponto de inoculação. Interpretação: se o crescimento se espalhar, a bactéria é considerada móvel (p. ex., Salmonella), enquanto o crescimento restrito indica que é não móvel (p. ex., Staphylococcus) (Prescott; Harley; Klein, 2005). Testes de sensibilidade a antibióticos Princípio: avaliam a eficácia de diferentes antibióticos em inibir o crescimento bacteriano. Procedimento: discos de antibióticos são colocados em um meio de cultura inoculado com a bactéria. Interpretação: o tamanho da zona de inibição ao redor dos discos indica a sensibilidade ou resistência ao antibiótico. Essa informação é vital para definir o tratamento adequado (Prescott; Harley; Klein, 2005). Métodos de identificação automatizados Sistema Vitek Princípio: o Vitek utiliza cartões que contêm microtubos com diferentes testes bioquímicos para identificar microrganismos com base em suas características metabólicas. Procedimento: colônias bacterianas são inoculadas nos cartões, que são analisados automaticamente. Interpretação: o sistema fornece um relatório de identificação baseado em padrões pré-estabelecidos (Pincus, 2014). Maldi-Tof Princípio: o Maldi-Tof (matrix-assisted laser desorption/ionization time-of- -flight) identifica bactérias com base em seu perfil de massas de proteínas. Classificação e identificação bacteriana10 64 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Procedimento: uma amostra é preparada com matriz e analisada em espec- trômetro de massa. Interpretação: os resultados são comparados com bancos de dados, permi- tindo a identificação rápida e precisa de microrganismos (Burillo et al., 2014). Em suma, os métodos fenotípicos na microbiologia clínica são essenciais para a identificaçãoprecisa de bactérias patogênicas. A combinação de testes bioquímicos, coloração de Gram, testes de sensibilidade e sistemas automati- zados permite uma abordagem abrangente, garantindo diagnósticos corretos e tratamento adequado. À medida que a tecnologia avança, a precisão e a velocidade dos métodos de identificação continuam a melhorar, contribuindo significativamente para a prática clínica e a saúde pública. Neste tópico, adentramos o incrível universo da identificação de bactérias a partir de métodos que consideram um único espécime. No tópico seguinte, vamos explorar a identificação bacteriana a partir de colônias. Importância da morfologia colonial na identificação bacteriana A morfologia colonial é uma característica essencial para a identificação de bactérias na microbiologia clínica. As colônias bacterianas representam agrupamentos visíveis de células que se originam de uma única célula-mãe, permitindo a observação de diversas características que facilitam a identifica- ção das espécies. Neste tópico, serão abordadas as principais características morfológicas observadas em culturas bacterianas, juntamente com exemplos de diferentes morfologias coloniais e a influência das condições de cultivo na aparência das colônias. Em geral, a morfologia colonial é avaliada com base em várias proprieda- des, incluindo forma, tamanho, cor, textura, elevação e borda. Essas caracte- rísticas fornecem informações valiosas sobre a identidade bacteriana e podem ser essenciais para diagnósticos clínicos (Nogueira; Miguel, 2013). Por esse motivo, a seguir discutiremos em mais detalhes cada um destes aspectos. Forma As colônias bacterianas podem assumir diferentes formas. A mais comuns delas é a circular, observada em grande parte das bactérias. Já a puntiforme caracteriza-se por ser muito pequena, com um diâmetro geralmente infe- rior a 1 mm, e sua aparência é semelhante a um ponto ou uma gota. Essa Classificação e identificação bacteriana 11 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 65 formação costuma estar associada a bactérias que crescem de forma mais lenta ou que têm uma taxa de multiplicação menor, como Streptococcus pneumoniae. Por sua vez, a forma irregular é aquela em que as bordas não são definidas, como em algumas cepas de Pseudomonas. Por fim, a forma filamentosa advém de colônias que se apresentam como fios ou filamentos, como o gênero Streptomyces, que é um grupo de bactérias gram-positivas conhecidas por sua capacidade de produzir antibióticos e degradar matéria orgânica (Nogueira; Miguel, 2013). Na Figura 3, é possível observar exemplos de cada uma das formas citadas. Figura 3. Formas das colônias bacterianas. Fonte: Adaptada de Colony morphology (2016). Crédito: Macedo, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons. Tamanho O tamanho das colônias pode variar de muito pequeno (menor que 1 mm) a grande (mais de 5 mm de diâmetro). Colônias maiores podem ser observadas em espécies como Bacillus cereus (Nogueira; Miguel, 2013). Cor A cor das colônias pode variar e é uma característica importante para sua identificação, uma vez que algumas bactérias produzem pigmentos. Deste modo, no caso de muitas bactérias não pigmentadas, elas são classificadas em brancas ou transparentes. Também podem ser amarelas, como no caso da Staphylococcus aureus, ou verdes, como a Pseudomonas aeruginosa, que produz um pigmento chamado piocianina (Nogueira; Miguel, 2013). Textura A textura refere-se à superfície das colônias. De modo geral, são classificadas em (Nogueira; Miguel, 2013): Classificação e identificação bacteriana12 66 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA • Lisa: superfície uniforme, comum em bactérias como Escherichia coli. • Rugosa: superfície irregular, observada em algumas cepas de Mycobacterium. • Mucoide: colônias viscosas, como na Klebsiella pneumoniae, que produz muco devido à presença de cápsulas. Na Figura 4, é possível observar exemplos das texturas lisa e rugosa. Figura 4. Textura das colônias bacterianas: (a) lisa; (b) rugosa. Fonte: Adaptada de Escherichia coli on agar (2019) e M.tuberculosis (2024). Créditos: New HanseN, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons. Elevação A elevação descreve a altura da colônia em relação ao meio de cultura. Deste modo, ela pode ser: plana, ou seja, sem elevação, como muitas colônias de Listeria monocytogenes; convexa, com elevação arredondada, comum em várias espécies de Streptococcus; ou umedecida, apresentando bordas levantadas e centrais mais altas (Nogueira; Miguel, 2013). Margem Por fim, também deve-se considerar a margem (ou borda) das colônias, que pode ser classificada em: inteira, formada por bordas suaves e contínuas, como na Serratia marcescens; lobulada, ou seja, caracterizada por bordas com projeções, como em algumas cepas de Bacillus; ou ondulada, caracterizada por bordas com formas irregulares (Nogueira; Miguel, 2013). Classificação e identificação bacteriana 13 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 67 É imprescindível salientar que diversos fatores podem influenciar a for- mação de colônias bacterianas. Nesse sentido, as condições de cultivo são fundamentais, afetando não apenas a aparência, mas também a viabilidade e o crescimento das bactérias. Vários fatores, como o tipo de meio de cultura utilizado e as condições de incubação, podem alterar significativamente como as colônias se desenvolvem e se apresentam. O ágar nutriente, por exemplo, é um meio projetado para suportar o crescimento geral de diversas espécies bacterianas. Ele permite a observação de morfologias típicas, como o tamanho, a forma e a cor das colônias, servindo como uma base para comparações. Já o ágar sangue é especialmente útil para detectar hemólise, um processo que algumas bactérias utilizam para lisar células vermelhas do sangue. Esse tipo de ágar é particularmente eficaz na identificação de estreptococos, em que a presença ou ausência de hemólise pode indicar diferentes espécies. Por fim, o ágar MacConkey é um meio seletivo para bactérias gram-negativas, e permite distinguir aquelas que fermentam lactose e as que não fermentam. As colônias que fermentam lactose se tornam rosadas, enquanto as não fermentadoras mantêm uma coloração mais pálida, facilitando a identificação (Nogueira; Miguel, 2013). Cabe acrescentar ainda que as condições de incubação também são essenciais para a morfologia das colônias de bactérias. Nesse contexto, a temperatura desempenha um papel primordial. Cada espécie bacteriana está associada a uma temperatura ideal de crescimento. O Staphylococcus aureus, por exemplo, cresce de maneira ideal a 37 °C, que é a temperatura corporal humana. Se a temperatura estiver muito abaixo ou acima desse ideal, a mor- fologia das colônias pode ser alterada, resultando em crescimento reduzido ou em características morfológicas não típicas. Além disso, as necessidades de oxigênio também variam entre as espécies. Enquanto algumas bactérias, como as anaeróbicas, prosperam em ambientes sem oxigênio, outras, como as aeróbicas, dependem da presença desse gás. Essas diferenças nas ne- cessidades atmosféricas podem influenciar não apenas o crescimento, mas também a forma e a cor das colônias, conforme as condições de incubação se ajustam a essas exigências (Nogueira; Miguel, 2013). Em suma, a morfologia colonial é uma ferramenta essencial para a iden- tificação bacteriana em microbiologia clínica. As características observáveis, como forma, tamanho, cor, textura, elevação, margem e hemólise, propor- cionam informações valiosas sobre as espécies bacterianas. Além disso, as condições de cultivo podem alterar a morfologia, enfatizando a importância de um ambiente controlado para a identificação precisa. O conhecimento Classificação eidentificação bacteriana14 68 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA sobre a morfologia colonial e suas variações contribui significativamente para o diagnóstico e tratamento adequado de infecções (Nogueira; Miguel, 2013). Neste capítulo, exploramos como as bactérias estão presentes em nos- sas vidas de maneiras mais profundas do que podemos imaginar. Enquanto algumas espécies desempenham papéis vitais à nossa sobrevivência, outras podem ser responsáveis por doenças graves. Nesse contexto, a identificação bacteriana emerge como um processo essencial na microbiologia, sendo muito importante para o diagnóstico de infecções e para a compreensão da diversidade microbiana. As técnicas disponíveis, que vão desde métodos clássicos até abordagens moleculares, permitem não apenas a determinação da espécie, mas também a análise das características fenotípicas e genotípi- cas das bactérias. Fatores como o tipo de meio de cultura e as condições de incubação são determinantes na morfologia das colônias, impactando direta- mente os resultados e a interpretação dos testes. Portanto, um conhecimento aprofundado desses aspectos é fundamental para otimizar a identificação bacteriana, assegurando diagnósticos mais precisos e eficazes e contribuindo significativamente para o manejo adequado de doenças infecciosas e para as pesquisas em saúde pública. Referências BACILLUS SUBTILIS GRAM STAIN. Wikimedia, 2013. Disponível em: https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Bacillus_subtilis_Gram_stain.jpg. Acesso em: 22 nov. 2024. BURILLO, A. et al. Gram-Stain Plus MALDI-TOF MS (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight Mass Spectrometry) for a Rapid Diagnosis of Urinary Tract Infection. PLoS One, v. 9, n. 1, 2014. CHAMBERLAIN, N. Coagulase test for staphylococcus species. [S. l.: s. n.], 2009. 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Classificação e identificação bacteriana 15 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação e Identificação Bacteriana | PARTE 4 69 NOGUEIRA, J. M. R.; MIGUEL, L. F. S. Bacteriologia. In: CAPUTO, L. F. G. et al. Conceitos e métodos para a formação de profissionais em laboratórios de saúde. 2. ed. Rio de Janeiro: Fiocruz, 2013. v. 4. PINCUS, D. H. Microbial identification using the Biomérieux Vitek ® 2 System. In: MILLER, M. L. (ed.). Encyclopedia of rapid microbiological methods. [S. l.: s. n.], 2014. PRESCOTT, L. M.; HARLEY, J. P.; KLEIN, D. A. Microbiology. 7. ed. New York: McGraw-Hill, 2005. PSEUDOMONAS FLUORESCENS GRAM STAIN ON MICROSCOPE SLIDE. Wikimedia, 2021. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pseudomonas_fluores- cens_Gram_Stain_on_Microscope_Slide.jpg. Acesso em: 22 nov. 2024. PUS IN GRAM STAIN SHOWING GRAM POSITIVE COCCI IN SINGLES, PAIRS AND CLUSTERS. Wikimedia, 2021. 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Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os edito- res declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Classificação e identificação bacteriana16 ENCERRA AQUI O TRECHO DO LIVRO DISPONIBILIZADO PELA SAGAH PARA ESTA PARTE DA UNIDADE� PREZADO ESTUDANTE Parte 5 Técnicas de Laboratório Aplicadas à Microbiologia O conteúdo deste livro é disponibilizado por SAGAH. unidade 1 72 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA 780 Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap & David P. Clark Com este capítulo iniciamos uma nova fase deste livro, co- meçando pelo estudo das relações entre os micro-organis- mos e o homem. Iniciamos com os agentes e métodos empre- gados no controle do crescimento microbiano. Alguns agentes eliminam totalmente o crescimento microbiano por meio da esterilização – a morte ou remoção de todos os organismos viáveis presentes em um meio de cultura. Frequentemente, no entanto, a esterilidade não é alcançável, mas os micro-orga- nismos podem ser efetivamente controlados limitando-se seu crescimento, um processo denominado inibição. Os métodos de inibição do rápido crescimento microbia- no incluem a descontaminação e a desinfecção. A desconta- minação consiste no tratamento de um objeto ou uma superfí- cie, de modo a torná-los seguros à manipulação. Por exemplo, o simples ato de limpar a mesa após uma refeição remove mi- crorganismos contaminantes e seus potenciais nutrientes. A desinfecção, ao contrário, é direcionada diretamente contra os patógenos, embora possa não eliminar todos os micro-orga- nismos. Agentes químicos ou físicos especiais, denominados desinfetantes, podem matar os micro-organismos ou inibir o crescimento microbiano. A água sanitária (hipoclorito de só- dio), por exemplo, é um desinfetante utilizado na limpeza e desinfecção das áreas utilizadas no preparo de alimentos. Em determinadas situações, a destruição de todos os mi- cro-organismos pode ser necessária. A esterilização, embora difícil de ser alcançada, elimina totalmente todos os micro- -organismos, incluindo os vírus. Tais medidas são necessá- rias, por exemplo, na preparação de meios microbiológicos ou de instrumentos cirúrgicos. Todos os procedimentos de descontaminação e esterilização têm como objetivo a redu- ção ou eliminação da carga microbiana. O controle microbiano in vivo é muito mais difícil: agen- tes bactericidas (que matam bactérias) ou bacteriostáticos (que inibem as bactérias) de utilidade clínica impedem ou reduzem o crescimento microbiano, sem provocar dano ao hospedeiro. Essa meta é alcançada por uma grande varieda- de de agentes quimioterápicos naturais e sintéticos. Neste capítulo, inicialmente examinaremos os métodos de controle microbiano empregados in vitro. Em seguida, discutiremos os fármacos antimicrobianos utilizados em humanos. CONTROLE ANTIMICROBIANO POR AGENTES FÍSICOS Métodos físicos são frequentemente utilizados para promo- ver a descontaminação microbiana, desinfecção e esteriliza- ção. O calor, a radiação e a filtração são capazes de destruir ouremover os micro-organismos. Esses métodos impedem o crescimento microbiano ou promovem a descontaminação de áreas ou materiais que albergam micro-organismos. Dis- cutiremos aqui os mecanismos físicos de controle, apresen- tando alguns exemplos práticos. Esterilização pelo calor Provavelmente, o método de controle do crescimento mi- crobiano mais difundido consiste no uso do calor, especial- mente como método de esterilização. Fatores que interferem na suscetibilidade dos micro-organismos ao calor incluem a temperatura e a duração do tratamento térmico, como tam- bém o tipo de calor, úmido ou seco, empregado. Medida da esterilização pelo calor Todos os micro-organismos apresentam uma temperatura máxima de crescimento, acima da qual sua viabilidade é re- duzida (l Seção 6.12). A viabilidade é perdida porque a maioria das macromoléculas perde sua estrutura e ativida- de em temperaturas muito elevadas, um processo conhecido como desnaturação. A eficácia do calor como agente esterili- zante é medida pelo tempo requerido para uma redução de dez vezes na viabilidade de uma população microbiana, a uma dada temperatura. Esse período corresponde ao tempo de redução decimal ou D. Nas faixas de temperatura utilizadas no preparo de alimentos (cocção e envase), a relação entre D e a temperatura é exponencial. Assim, quando o logaritmo de D é plotado em função da temperatura, obtém-se uma linha reta (Figura 27.1). A inclinação da reta indica a sensibilidade do organismo ao calor nas condições empregadas, e o gráfico pode ser utilizado para calcular o tempo de processamento necessário para promover a esterilização, por exemplo, em operações de envase (l Seção 37.2). A morte decorrente do aquecimento é uma função exponencial (de primeira or- dem), ocorrendo mais rapidamente à medida que a tempe- ratura eleva-se, conforme ilustrado na Figura 27.2. O tempo necessário para promover a morte de uma fração definida (p. ex., 90%) de células viáveis independe da concentração celu- lar inicial. Como resultado, a esterilização de uma população microbiana demanda maior tempo em temperaturas mais baixas do que em temperaturas mais elevadas. Portanto, o tempo e a temperatura devem ser ajustados para obter-se a esterilização de acordo com cada conjunto específico de con- dições. O tipo de calor também é importante: o calor úmido tem maior poder de penetração que o calor seco e, em certa temperatura, promove uma redução mais rápida no número de organismos vivos. A determinação de um tempo de redução decimal requer um grande número de ensaios de contagem de viáveis (l Seção 6.10). Uma forma mais fácil de caracterizar-se a sensi- I 27.1 0,1 1 10 10 20 30 40 50 100 Fr aç ão d e so b re vi vê nc ia (e sc al a lo g) Tempo (min) Tempo de redução decimal (D) 70°C 50°C 60°C Figura 27.1 O efeito da temperatura, em relação ao tempo, na viabilidade de uma bactéria mesofílica. O tempo de redução decimal, D, corresponde ao período de tempo em que apenas 10% da população original de organismos permanecem viáveis, a uma determinada temperatura. A 70ºC, D � 3 min; a 60°C, D � 12 min; a 50ºC, D � 42 min. Madigan_27.indd 780Madigan_27.indd 780 12.02.10 11:10:4312.02.10 11:10:43 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Técnicas de Laboratório Aplicadas à Microbiologia | PARTE 5 73 Microbiologia de Brock 781 U N ID A D E 6 bilidade de um organismo ao calor consiste na determinação do seu tempo de morte térmica, o tempo necessário para ma- tar todas as células, em uma dada temperatura. Para determi- nar-se o tempo de morte térmica, amostras de uma suspen- são celular são aquecidas por diferentes tempos, misturadas a um meio de cultura e incubadas. Se todas as células forem mortas, não será observado crescimento nas amostras incu- badas. O tempo de morte térmica depende do tamanho da população testada; um maior tempo é necessário para matar todas as células de uma população grande, do que para uma população pequena. Quando o número de células é padro- nizado, é possível comparar-se a sensibilidade de diferentes organismos ao calor, comparando-se seus tempos de morte térmica, em uma determinada temperatura. Endósporos e esterilização pelo calor Algumas bactérias produzem células altamente resistentes, denominadas endósporos (l Seção 4.12). A resistência que as células vegetativas e os endósporos de um mesmo organis- mo apresentam ao calor varia consideravelmente. Por exem- plo, a autoclave (ver posteriormente) normalmente atinge a temperatura de 121ºC. Nessas condições, os endósporos podem requerer de 4-5 minutos para uma redução decimal, enquanto as células vegetativas podem requerer somente 0,1- 0,5 min, a 65ºC. Devido a essa diferença, procedimentos efi- cazes de esterilização pelo calor devem ser planejados, a fim de destruir os endósporos. Os endósporos são capazes de sobreviver a temperaturas que rapidamente matariam as células vegetativas da mesma espécie. Um importante fator na resistência ao calor cor- responde à quantidade e ao estado da água no interior do endósporo. Durante a formação do endósporo, o protoplas- ma é reduzido a um volume mínimo, devido ao acúmulo de complexos de Ca2�-ácido dipicolínico e pequenas proteínas ácido solúveis do esporo (SASP, do inglês, small acid-soluble spore proteins). Essa mistura forma um gel citoplasmático, havendo também a formação de um espesso córtex ao redor do endósporo em desenvolvimento. A contração do córtex origina uma célula encolhida e desidratada, contendo apenas 10-30% de água, quando comparada a uma célula vegetativa (l Seção 4.12). O conteúdo de água do endósporo, associado à concen- tração de SASPs, determina a resistência ao calor. Quando endósporos possuem baixa concentração de SASPs e alto teor de água, estes exibem pequena resistência ao calor. Ao contrário, quando possuem alta concentração de SASPs e baixo teor de água, apresentam alta resistência ao calor. A água movimenta-se livremente para dentro e para fora dos endósporos, de forma que a exclusão da água não é decor- rente da impermeabilidade do envoltório do endósporo, mas deve-se à presença do material semelhante a um gel, presente no protoplasto do endósporo. A natureza do meio onde o aquecimento é realizado também influencia na morte tanto de células vegetativas como de endósporos. A morte microbiana é mais rápida em pH ácido, sendo os alimentos ácidos, como tomates, frutas e picles, mais facilmente esterilizados do que alimentos com pH neutro, como milho e feijões. Altas concentrações de açúcares, proteínas e gorduras dificultam a penetração do calor, geralmente aumentando a termorresistência dos or- ganismos, enquanto altas concentrações de sais podem au- mentar ou diminuir a resistência ao calor, dependendo do organismo. Células desidratadas e endósporos são mais re- sistentes ao calor que as células úmidas; consequentemente, a esterilização térmica de objetos secos, como endósporos, sempre requer temperaturas mais elevadas e tempos mais longos que a esterilização de objetos úmidos, como culturas bacterianas líquidas. A autoclave A autoclave é um dispositivo de aquecimento selado, que permite a entrada de vapor sob pressão (Figura 27.3). A mor- te de endósporos termorresistentes requer o aquecimento a temperaturas acima de 100ºC, o ponto de ebulição da água à pressão atmosférica normal. Esse processo é realizado pela aplicação de vapor sob pressão (Figura 27.3a). A autoclave utiliza vapor a uma pressão de 1,1 quilogramas/centímetro quadrado (kg/cm2) [15 libras/polegada quadrada (lb/pol2)], o que gera uma temperatura de 121ºC. A 121ºC, o tempo neces- sário para promover uma esterilização é geralmente de 10-15 minutos (Figura 27.3b). Quando um objeto volumoso é submetido à esterilização, a transferência de calor a seu interior será lenta, devendo o tempo de aquecimento ser longo o suficiente, a fim de garan- tirque o objeto inteiro encontre-se a 121ºC por um período de 10-15 minutos. Tempos maiores são também necessários quando grandes volumes de líquidos são autoclavados, uma vez que grandes volumes requerem maior tempo para atingir a temperatura de esterilização. Observe que não é a pressão no interior da autoclave que mata os micro-organismos, mas sim a alta temperatura que pode ser atingida quando o vapor é aplicado sob alta pressão. Pasteurização A pasteurização utiliza um aquecimento precisamente con- trolado para reduzir a carga microbiana (número de micro- -organismos) presente no leite e em outros líquidos sensíveis ao calor. O processo, assim denominado em homenagem a Louis Pasteur (l Seção 1.7), foi primeiramente utilizado no controle da deterioração do vinho A pasteurização não 100 105 110 115 120 125 130 Temperatura (ºC) Te m p o d e re d uç ão d ec im al (m in ) 10 (b) (a)1 0,1 100 Figura 27.2 A relação entre temperatura e taxa de morte em mesófilos e termófilos. Os dados foram obtidos a partir dos tempos de redução decimal, D, em diversas temperaturas, como na Figura 27.1. Para o organismo (a), um mesófilo típico, a exposição a 110ºC por menos de 20 segundos resultou em uma redução deci- mal, enquanto para o organismo (b), um termófilo, foram necessá- rios 10 minutos para alcançar-se uma redução decimal. Madigan_27.indd 781Madigan_27.indd 781 12.02.10 11:10:4312.02.10 11:10:43 74 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA 782 Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap & David P. Clark mata todos os organismos e, desse modo, não é sinônimo de esterilização. Originalmente, a pasteurização do leite foi de- senvolvida para matar bactérias patogênicas, especialmente os organismos causadores da tuberculose, brucelose, febre Q e febre tifoide. Em países desenvolvidos, esses patógenos já não são comuns, mesmo em alimentos crus, porém a pas- teurização continua sendo utilizada, uma vez que também controla os patógenos comumente encontrados hoje em dia, incluindo Listeria monocytogenes, espécies de Campylobacter, Salmonella e Escherichia coli O157:H7; essas bactérias pato- gênicas podem ser encontradas em alimentos como laticínios e sucos (l Seções 37.7-37.11). Além disso, a pasteurização retarda o crescimento de organismos deteriorantes, aumen- tando consideravelmente o prazo de validade de líquidos pe- recíveis (l Seções 37.1 e 37.2). A pasteurização do leite é geralmente realizada por meio de sua passagem através de um trocador de calor. O leite é bombeado através de um conduto que está em contato com uma fonte de calor. O controle cuidadoso do fluxo do leite, assim como do tamanho e da temperatura da fonte de calor, promovem a elevação da temperatura do leite para 71ºC du- rante 15 segundos. O leite é, então, rapidamente resfriado. O processo completo recebe, apropriadamente, a denominação pasteurização rápida. O leite também pode ser aquecido em grandes tonéis, a 63-66ºC por um período de 30 minutos. No entanto, esse método de pasteurização lenta não é tão satisfatório, pois o leite é aquecido e resfriado lentamente e deve ser mantido em altas temperaturas por maior tempo. A pasteurização rápida, algumas vezes realizada a temperaturas ainda mais altas e tempos mais curtos, promove menores alterações de sabor, mata os organismos termorresistentes com maior eficiên- cia e pode ser realizada em fluxo contínuo, tornando-a mais adaptável às operações em larga escala de laticínios. Manô- metro Válvula de exaustão do vapor Porta (a) (c) (b) Termômetro e válvula Válvula de fornecimento de vapor Te m p er at ur a (º C ) 130 120 110 100 0 10 20 30 40 50 60 Tempo de um ciclo completo (min) O ar sai pelo respiro J. M ar tin ko Câmara da autoclave Exaustão de vapor Tempo de autoclavagem Tempo de esterilizaçãoPressão inicial Fluxo de vapor Temperatura do objeto sendo esterilizado Temperatura da autoclave Interrupção do vapor Entrada de vapor Figura 27.3 A autoclave e a esterilização pelo calor úmido. (a) O fluxo do vapor através de uma autoclave. (b) Um ciclo típico de autoclavagem. É apresentado o perfil temporal de aquecimento de um objeto relativamente volumoso. A temperatura do objeto aumenta e decresce mais lentamente do que a temperatura da autoclave. A temperatura do objeto deve atingir a temperatura-alvo, sendo mantida por 10-15 minutos para garantir a esterilidade, independentemente da temperatura e do tempo registrados na autoclave. (c) Uma moderna autoclave de pesquisa. Observe a porta de travamento por pressão e os controles de ciclo automático no painel à direita. Os ajustes para a entrada de vapor e de exaustão localizam-se na lateral direita da autoclave. Madigan_27.indd 782Madigan_27.indd 782 12.02.10 11:10:4312.02.10 11:10:43 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Técnicas de Laboratório Aplicadas à Microbiologia | PARTE 5 75 Microbiologia de Brock 783 U N ID A D E 6 Minirrevisão de 27.1 A esterilização é o processo que promove a morte de todos os organismos, incluindo os vírus. O calor é o método de esterilização mais amplamente utilizado. É necessário que o calor elimine os organismos de maior termorresistência, geralmente os endósporos bacterianos. Uma autoclave per- mite a aplicação de vapor quente sob pressão, atingindo-se temperaturas acima do ponto de ebulição da água, as quais promovem a morte de endósporos. A pasteurização não esteriliza os líquidos, porém reduz a carga microbiana, mata a maioria dos patógenos e inibe o crescimento de micro- -organismos deteriorantes. Por que o calor é um agente eficaz de esterilização? ❚ Quais as etapas necessárias para garantir a esterilidade de ❚ materiais que possam estar contaminados por endósporos bacterianos? Diferencie a necessidade de esterilizar meios microbioló- ❚ gicos da necessidade de pasteurizar suco de maçã. Esterilização por radiação O calor é apenas uma das formas de energia capaz de esterili- zar ou reduzir a carga microbiana. Micro-ondas, radiação ul- travioleta (UV), raios X, raios gama (raios �) e elétrons podem reduzir de maneira eficaz o crescimento microbiano, quando aplicados em doses e períodos de tempos apropriados. No entanto, cada tipo de energia apresenta um mecanismo de ação diferente. Por exemplo, os efeitos antimicrobianos das micro-ondas é decorrente, pelo menos em parte, dos efeitos térmicos. A radiação UV de comprimento de onda entre 220 e 300 nm possui energia suficiente para introduzir modifica- ções ou quebras no DNA, algumas vezes levando à ruptura do DNA e à morte do organismo exposto (l Seção 11.7). Essa luz UV “próxima ao visível” é útil na desinfecção de superfí- cies, ar e outros materiais, como água, que não absorvem as ondas UV. Por exemplo, fluxos laminares laboratoriais são equipados com lâmpadas UV “germicidas”, para promover a descontaminação das superfícies após o uso (Figura 27.4). A radiação UV, no entanto, não penetra em superfícies sólidas, opacas ou que absorvem luz, limitando-se seu uso à desinfec- ção de superfícies expostas. Radiação ionizante A radiação ionizante é uma radiação eletromagnética com energia suficiente para produzir íons e outras espécies molecu- lares reativas, a partir das moléculas com as quais as partícu- las radioativas colidem. A radiação ionizante produz elétrons, e�, radicais hidroxil, OH•, e radicais hidrido, H• (l Seção 6.18). Cada uma dessas moléculas altamente reativas é capaz de alterar e degradar macromoléculas, como DNA e proteínas. A ionização e a subsequente degradação dessas moléculas bio- logicamente importantes levam as células irradiadas à morte. Diversas fontes de radiação são úteis na esterilização. A unidade de radiação, denominada roentgen, é uma me- dida da energia liberada por uma fonte de radiação. O padrão para aplicações biológicas, como a esterilização, corresponde à dose de radiação absorvida,expressa em rads (100 erg/g) ou grays (1 Gy � 100 rad). Alguns micro-organismos são muito mais resistentes à radiação do que outros. A Tabela 27.1 apre- senta a dose de radiação necessária para reduzir em dez vezes (uma unidade log) o número de micro-organismos ou funções biológicas. Por exemplo, a quantidade de energia necessária 27.2 J. M ar tin ko Figura 27.4 Fluxo laminar de segurança biológica. A câmara apresentada possui uma fonte de radiação ultravioleta (UV) (lâm- pada de vapor de mercúrio), utilizada para a descontaminação das superfícies internas. A grade metálica da parte traseira recobre um filtro HEPA (alta eficiência para ar particulado). O ar externo à câmara é bombeado através do filtro HEPA. O ar filtrado, livre de contaminantes, incluindo micro-organismos, penetra na câmara. O ar presente no interior da câmara é deslocado através das ventila- ções que circundam a face anterior e retorna através do filtro HEPA. Assim, a câmara é desenvolvida de modo a propiciar uma área de trabalho livre de contaminantes, enquanto protege o pesquisador, ao impedir a saída de ar diretamente a partir da câmara. Tabela 27.1 Sensibilidade de micro-organismos e de funções biológicas à radiação Espécie ou função Tipo de micro- -organismos D10a (Gy) Clostridium botulinum Bacteria Gram-positiva, anaeróbia, esporu- lante 3.300 Clostridium tetani Bacteria Gram-positiva, anaeróbia, esporu- lante 2.400 Bacillus subtilis Bacteria Gram-positiva, aeróbia, esporulante 600 Escherichia coli O157:H7 Bacteria Gram-negativa 300 Salmonella typhimurium Bacteria Gram-negativa 200 Lactobacillus brevis Bacteria Gram-positiva 1.200 Deinococcus radiodurans Bacteria Gram-negativa, resistente à radiação 2.200 Aspergillus niger Bolor 500 Saccharomyces cerevisiae Levedura 500 Febre aftosa Vírus 13.000 Coxsackie Vírus 4.500 Inativação enzimática 20.000- 50.000 Desinfestação de insetos 1.000-5.000 aD10 corresponde à quantidade de radiação necessária para reduzir em dez vezes (uma unidade logarítmica) a população inicial, ou nível de atividade. Gy � grays; 1 gray � 100 rads. A dose letal para humanos é de 10 Gy. Madigan_27.indd 783Madigan_27.indd 783 12.02.10 11:10:4412.02.10 11:10:44 76 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA 784 Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap & David P. Clark para obter-se uma redução em dez vezes (D) de uma bacté- ria sensível à radiação, como Escherichia coli O157:H7 é de 300 Gy. O valor D é análogo ao tempo de redução decimal da esterilização por calor: a relação entre a fração de sobrevivên- cia plotada em uma escala semilogarítmica versus a dosagem de radiação em grays é essencialmente linear (Figura 27.5 e comparar com a Figura 27.1). Na prática, isso significa que, com uma dose de radiação de 300 Gy, 90% de E. coli O157:H7 de uma determinada amos- tra serão mortas. Uma dose de 2 D, ou 600 Gy, provocaria a morte de 99% dos organismos, e assim por diante. Uma dose letal padrão, em processos de esterilização por radiação, cor- responde a 12 D. Por exemplo, para a destruição dos endóspo- ros resistentes à radiação de uma bactéria, como Clostridium botulinum, são necessários 39.600 Gy (Tabela 27.1). Por outro lado, a dose letal para E. coli O157:H7 é de somente 3.600 Gy. De modo geral, os micro-organismos são muito mais resisten- tes à radiação ionizante do que os organismos multicelulares. Por exemplo, a dose de radiação letal aos humanos pode ser de apenas 10 Gy, quando liberada por vários minutos! Uso prático da radiação Fontes comuns de radiação ionizante incluem os tubos de raios catódicos que geram feixes de elétrons, aparelhos de raios-X e nuclídeos radioativos de 60Co e 137Cs, ambos subpro- dutos da fissão nuclear, de custo relativamente baixo. Essas fontes produzem elétrons, raios X ou raios �, respectivamente, todos com energia suficiente para inibir eficazmente o cres- cimento microbiano. Além disso, raios X e raios � penetram em sólidos e líquidos, tornando-os ideais para o tratamento de produtos volumosos, como carne moída ou grãos de cereais. Atualmente, a radiação é utilizada em processos de este- rilização e descontaminação nas indústrias de suprimentos médicos e de produtos alimentícios. Nos Estados Unidos, o Food and Drug Administration aprovou o uso de radiação para a esterilização dos mais diversos itens, como suprimentos ci- rúrgicos, materiais descartáveis de laboratório, fármacos e até mesmo tecidos para enxertos (Tabela 27.2). No entanto, em virtude dos custos e riscos inerentes ao equipamento que emite radiação, esse tipo de esterilização limita-se a opera- ções industriais de larga escala, ou a laboratórios altamente especializados. Determinados alimentos e produtos alimentícios tam- bém são rotineiramente irradiados para garantir a esterili- zação, pasteurização e a desinfestação de insetos. A Organi- zação Mundial de Saúde aprovou o uso da radiação, que é utilizada nos Estados Unidos como medida de descontami- nação em alimentos particularmente suscetíveis à contami- nação microbiana, especialmente produtos cárneos frescos, como hambúrgueres e frango, e especiarias (l Seção 37.2). A utilização da radiação para todas essas finalidades con- siste em uma tecnologia já estabelecida e aceita em muitos países. Contudo, tal prática não foi prontamente aceita em outros países, em virtude do receio da possível contaminação radioativa, alteração do valor nutritivo, geração de produtos tóxicos ou cancerígenos, e perda das características organo- lépticas dos alimentos irradiados. Minirrevisão de 27.2 Doses controladas de radiação eletromagnética inibem de maneira eficaz o crescimento microbiano. A radiação ultra- violeta é utilizada na descontaminação de superfícies e ma- teriais que não absorvem luz, como o ar e a água. A radiação ionizante, necessária para penetrar materiais sólidos ou que absorvem a luz, é utilizada na esterilização e descontamina- ção pelas indústrias médica e de alimentos. Defina a dose de redução decimal e dose letal, em relação ❚ à radiação de micro-organismos. Por que a radiação ionizante é mais eficiente que a radia- ❚ ção UV na esterilização de produtos alimentícios? Esterilização por filtração Conforme observamos, o calor corresponde a uma forma efi- caz de descontaminação da maioria dos líquidos, podendo ser utilizado até mesmo no tratamento de gases. No entanto, gases ou líquidos sensíveis ao calor devem ser tratados por outros métodos. A filtração é um método que promove a des- contaminação, e até mesmo a esterilização, sem a exposição ao calor desnaturante. O líquido ou gás passa através de um filtro, um dispositivo contendo poros de dimensões muito pe- quenas que impedem a passagem de micro-organismos, mas grandes o suficiente para permitir a passagem de líquidos ou 27.3 Tabela 27.2 Produtos médicos e laboratoriais esterilizados por radiação Tecidos para enxertos Drogas Suprimentos médicos e laboratoriais Cartilagem Cloranfenicol Materiais descartáveis de laboratório Tendão Ampicilina Meios de cultura Pele Tetraciclina Seringas Válvula cardíaca Atropina Equipamentos cirúrgicos Vacinas Suturas Pomadas Radiação (Grays) Fr aç ão d e so b re vi vê nc ia (e sc al a lo g) 10% de sobrevivência 0,01 0,1 D10 1 Figura 27.5 Relação entre a fração de sobrevivência e a dose de radiação de um micro-organismo. A D10, ou dose de redução deci- mal, pode ser interpolada a partir dos dados, conforme apresentado. Madigan_27.indd 784Madigan_27.indd 784 12.02.10 11:10:4412.02.10 11:10:44 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Técnicas de Laboratório Aplicadas à Microbiologia | PARTE 5 77 Microbiologia de Brock 785 U N ID A D E 6 gases. A seleção de filtros para esterilização deve levar em consideração a variação de tamanho dos contaminantes a serem excluídos. Algumas células microbianas possuem diâ- metro superior a 10 �m, enquantoas menores bactérias exi- bem diâmetro inferior a 0,3 �m. Historicamente, métodos de filtração seletiva foram utilizados para definir e isolar vírus, a maioria dos quais apresenta diâmetro variando de 25 nm a 200 nm (0,2 �m). A Figura 27.6 ilustra os principais tipos de filtros. Filtros de profundidade Um filtro de profundidade é uma lâmina ou camada fibro- sa, confeccionada por um conjunto aleatório de fibras pa- pel ou de borossilicato (vidro) sobrepostas (Figura 27.6a). O filtro de profundidade retém as partículas na rede de fi- bras presente ao longo da espessura da estrutura. Como o material de filtração é arranjado aleatoriamente em uma camada espessa, os filtros de profundidade resistem à obs- trução, sendo frequentemente utilizados como pré-filtros na remoção das partículas maiores presentes em uma suspensão líquida, de forma que não ocorram obstruções durante o processo final de esterilização por filtração. Os filtros de profundidade também são empregados na este- rilização do ar em processos industriais. O filtro utilizado nos sistemas de aquecimento e de refrigeração de uso do- méstico corresponde a um simples filtro de profundidade, projetado para reter materiais particulados, como poeira, esporos e alérgenos. Os filtros de profundidade são importantes para fins de biossegurança. Por exemplo, as manipulações de culturas ce- lulares, culturas microbianas e meios de cultura requerem a minimização da contaminação, tanto do manipulador como dos materiais experimentais. Essas operações podem ser reali- zadas eficientemente em um fluxo laminar de segurança bioló- gica, com o fluxo de ar para dentro e para fora da câmara pas- sando através de um filtro de profundidade denominado filtro HEPA (do inglês, high-efficiency particulate air), filtro de alta eficiência para ar particulado (Figura 27.4). Um filtro HEPA tí- pico consiste em uma única camada de fibras de borossilicato (vidro), tratada com material de ligação que repele a água. O filtro, que apresenta dobras para aumentar a área superficial, é acoplado no interior de uma moldura rígida de sustentação. Os filtros HEPA são comercializados em diferentes formatos e tamanhos, variando de alguns centímetros quadrados, para aspiradores de pó, a vários metros quadrados, para câmaras de contenção biológica (Figura 27.4) e sistemas de ar ambien- tal. O controle de materiais particulados transmitidos pelo ar pelo uso de filtros HEPA propicia a obtenção de “áreas lim- pas” e quartos de isolamento para casos de quarentena, assim como laboratórios especializados de segurança biológica (l Seção 32.4). Os filtros HEPA geralmente removem partículas teste de 0,3 �m com eficiência de pelo menos 99,97%; assim, tais filtros removem eficientemente tanto partículas grandes como pequenas, incluindo a maioria dos micro-organismos presentes em correntes de ar. Membranas filtrantes As membranas filtrantes são o tipo mais comum de filtros uti- lizados para a esterilização de líquidos em laboratórios de mi- crobiologia (Figura 27.6b). Membranas filtrantes são compos- tas por polímeros que suportam altas tensões, como acetato de celulose, nitrocelulose ou polissulfona, produzidos de forma a apresentarem inúmeros orifícios diminutos, ou poros. O ajuste das condições de polimerização durante a manufatura, permite o controle preciso do tamanho dos orifícios presentes na mem- brana (e, dessa forma, o tamanho das moléculas que poderão atravessá-los). A membrana filtrante difere de um filtro de pro- fundidade pois atua predominantemente como um crivo, re- tendo as partículas na superfície do filtro. Cerca de 80 – 85% da área superficial da membrana consiste em poros abertos. Essa porosidade permite um fluxo relativamente rápido do fluido. Membranas filtrantes utilizadas na esterilização de líqui- dos são apresentadas na Figura 27.7. Dispositivos contendo (a) (b) (c) T. D . B ro ck T. D . B ro ck T. D . B ro ck Figura 27.6 Filtros microbiológicos. A estrutura de (a) um filtro de profundidade, (b) uma membrana filtrante convencional e (c) um filtro Nucleopore. J. M ar tin ko Figura 27.7 Membranas filtrantes. Unidades de membranas filtrantes descartáveis, pré-esterilizadas e montadas. À esquerda, um sistema de filtração projetado para pequenos volumes. À direi- ta, um sistema de filtração projetado para volumes maiores. Madigan_27.indd 785Madigan_27.indd 785 12.02.10 11:10:4512.02.10 11:10:45 78 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA 786 Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap & David P. Clark membranas filtrantes pré-esterilizadas, destinadas à esterili- zação de volumes pequenos ou medianos de líquidos, como meios de cultura, são rotineiramente utilizados em laborató- rios de pesquisa ou clínicos. A filtração é realizada com o au- xílio de seringa, compressor, ou bomba de vácuo, que forçam a passagem do líquido através do aparato de filtração até um recipiente coletor estéril. Outro tipo de membrana filtrante comumente utilizada é o filtro de trilhas de nucleação (Nucleopore). Esses filtros são confeccionados pelo tratamento de filmes muito delgados de policarbonato (espessura de 10 �m) com radiação nuclear, sendo, em seguida, cauterizados com um produto químico. A radiação promove danos localizados no filme, enquanto a cauterização química amplia esses pontos danificados, origi- nando os orifícios. O tamanho dos orifícios é precisamente controlado variando-se a intensidade da solução cauteri- zante e o tempo de cauterização. Um típico filtro de trilhas de nucleação possui orifícios uniformes (Figura 27.6c). Os filtros Nucleopore são comumente utilizados no isolamento de espécimes para microscopia eletrônica de varredura. Os micro-organismos são removidos do líquido e concentrados em um único plano no filtro, onde podem ser observados ao microscópio (Figura 27.8). Minirrevisão de 27.3 Os filtros removem os micro-organismos do ar ou de líqui- dos. Os filtros de profundidade, incluindo os filtros HEPA, são utilizados para remover os micro-organismos e outros contaminantes de líquidos ou do ar. As membranas filtrantes são utilizadas na esterilização de líquidos termolábeis, en- quanto os filtros de nucleação são empregados no isolamen- to de espécimes para a microscopia eletrônica. Por que os filtros são utilizados em processos de esteriliza- ❚ ção de líquidos termolábeis? Descreva o uso de filtros de profundidade para manter ❚ limpo o ar de hospitais, laboratórios e residências. CONTROLE ANTIMICROBIANO POR AGENTES QUÍMICOS Utilizamos uma variedade de produtos químicos para con- trolar o crescimento microbiano em situações rotineiras nos lares, no trabalho e em laboratórios. Um agente antimicro- biano é um produto químico natural ou sintético, que mata ou inibe o crescimento de micro-organismos. Agentes que matam organismos são frequentemente denominados agen- tes -cidas, sendo o termo associado a um prefixo que indica o tipo do organismo morto. Assim, temos agentes bactericidas, fungicidas e viricidas, que matam bactérias, fungos e vírus, respectivamente. Agentes que não matam, e apenas inibem o crescimento, são denominados agentes –státicos. Eles incluem compostos bacteriostáticos, fungistáticos e viristáticos. Controle do crescimento por agentes químicos Agentes antimicrobianos variam quanto à toxicidade sele- tiva. Agentes não seletivos provocam efeitos similares em todos os tipos de células. Agentes seletivos são mais tóxicos aos micro-organismos que aos tecidos animais. Agentes an- timicrobianos que têm toxicidade seletiva são especialmente úteis no tratamento de doenças infecciosas, uma vez que ma- tam determinados micro-organismos in vivo, sem causar da- nos ao hospedeiro. Eles serão descritos posteriormente neste capítulo. Agora, discutiremos os agentes químicos que têm toxicidade relativamente ampla, frequentemente utilizados para limitar o crescimento microbiano in vitro. Efeitos de agentes antimicrobianos sobre o crescimentoOs agentes antimicrobianos podem ser classificados como bacteriostáticos, bactericidas e bacteriolíticos, de acordo com os efeitos observados em uma cultura bacteriana (Figu- ra 27.9). Agentes bacteriostáticos frequentemente inibem a síntese proteica, devido a sua ligação aos ribossomos. Quan- do a concentração do agente é diminuída, ele é liberado do ribossomo e o crescimento é restabelecido (Figura 27.9a). Muitos antibióticos atuam por esse mecanismo, e serão dis- cutidos nas Seções 27.6-27.9. Agentes bactericidas ligam-se fortemente a seus alvos celulares e não são removidos pela diluição, promovendo a morte celular. As células mortas, no II 27.4 C ar lo s P ed ró s- A lió e T . D . B ro ck C D C /N C ID /H IP / Ja ni ce C ar r e R ob W ey an t (a) (b) Figura 27.8 Micrografia eletrônica de varredura de bactérias retidas em membranas filtrantes Nucleopore. (a) Bactérias e al- gas aquáticas O tamanho do poro é de 5 �m. (b) Leptospira interro- gans. A bactéria tem diâmetro aproximado de 0,1 �m e até 20 �m de comprimento. O tamanho do poro é de 0,2 �m. Madigan_27.indd 786Madigan_27.indd 786 12.02.10 11:10:4512.02.10 11:10:45 17Doença parasitária (fatores inerentes e alterações) Se você encontrar algum problema neste material, entre em contato pelo email eadproducao@unilasalle�edu�br. Descreva o que você encontrou e indique a página. Lembre-se: a boa educação se faz com a contribuição de todos! CONTRIBUA COM A QUALIDADE DO SEU CURSO ENCERRA AQUI O TRECHO DO LIVRO DISPONIBILIZADO PELA SAGAH PARA ESTA PARTE DA UNIDADE� PREZADO ESTUDANTE Av. Victor Barreto, 2288 | Canoas - RS CEP: 92010-000 | 0800 541 8500 eadproducao@unilasalle.edu.brAlém da descoberta do agente etiológico, foi realizado o experimento para isolamento da bactéria em amostras de cultura de sangue de animais saudáveis (Figura 2). As bactérias foram injetadas, cultivadas e comparadas, comprovando a sua identificação. A partir desse experimento, foram estabelecidos os postulados de Koch, uma sequência de etapas experimentais capazes de relacionar o agente infeccioso com a doença específica. Desde então, esses critérios têm sido úteis nas investigações para provar que os microrganismos causam diversas doenças (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). Figura 2. Postulados de Koch. Fonte: Tortora, Funke e Case (2017, p. 395). Outra figura importante na história da microbiologia foi o químico francês Louis Pasteur (1822-1895), que foi responsável por desvendar muitos proces- sos na área. Em meados do século XIX, Pasteur caracterizou o processo de fermentação alcoólica com a presença de células de levedura. Evidências microscópicas convenceram Pasteur de que a fermentação alcoólica era catalisada por microrganismos vivos, as células de levedura. Seus trabalhos também colaboraram para o desenvolvimento de procedimentos eficientes de esterilização, os quais foram eventualmente padronizados e estendidos às pesquisas microbiológicas, tanto básicas quanto aplicadas, bem como para a medicina clínica (MADIGAN et al., 2016). Breve histórico da microbiologia 5 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Breve Histórico da Microbiologia | PARTE 1 15 Antibioticoterapia na resistência microbiana Após a relação entre microrganismos e doenças ter sido estabelecida, os cientistas direcionaram as pesquisas para a busca de substâncias que pu- dessem destruir o microrganismo patogênico sem causar nenhum mal ao indivíduo. Nesse contexto, surgiram os antibióticos, substâncias químicas produzidas naturalmente por bactérias e fungos para atuar contra outros microrganismos (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). O primeiro antibiótico foi descoberto por Alexander Fleming, médico e bacteriologista escocês, no ano de 1928. Fleming estava prestes a descartar algumas placas de cultura que haviam sido contaminadas por fungos quando percebeu que o crescimento bacteriano havia sido inibido pela presença do fungo. O fungo ficou conhecido como Penicillium chrysogenum, e o inibidor ativo desse fungo foi chamado de penicilina. Os antimicrobianos constituem um grande grupo de medicamentos com estrutura diversa e múltiplos mecanismos de ação contra bactérias. O tratamento apropriado das infecções está relacionado com a identifica- ção correta do microrganismo e a liberação do teste de sensibilidade aos antimicrobianos. No primeiro momento, até a liberação do laudo, o médico responsável pode administrar antibióticos de amplo espectro, conhecidos como ativos contra vários tipos de microrganismos. Com a liberação do teste, é realizada a avaliação da terapia antimicrobiana mais adequada para o patógeno isolado. Os testes de suscetibilidade aos antimicrobianos utilizam a técnica de difusão. Em geral, apenas um membro de cada classe principal de antimicro- biano é testada (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). A escolha de um antimicrobiano bactericida ou de uma combinação de antimicrobianos para cada paciente pode ser orientada por testes laboratoriais especializados, que medem a taxa de destruição ou a proporção da população microbiana destruída em determinado período. O tratamento com antibióticos deve ser reservado somente para situa- ções que comprovem a infecção bacteriana, evitando o emprego em casos de benefício duvidoso. O uso inapropriado desses fármacos pode levar a complicações como resistência bacteriana e toxicidade. Os antimicrobianos pressionam o desenvolvimento de resistência com elevados custos para o indivíduo, elevado tempo de internação hospitalar e altos índices de morta- lidade (BARROS; MACHADO; SPRINZ, 2013). Breve histórico da microbiologia6 16 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Há quatro mecanismos principais que resultam na resistência das bac- térias aos fármacos (Quadro 1). Os mecanismos de resistência das bactérias são (LEVINSON, 2016): � produção de enzimas que inativam o fármaco; � síntese de alvos modificados, contra os quais os fármacos não têm eficácia; � redução da permeabilidade ao fármaco, de modo que uma concentração intracelular efetiva do fármaco não é obtida; e � exportação dos fármacos ativamente por meio do uso de bombas de resistência múltipla a fármacos (bomba MDR, ou bomba de “efluxo”). Quadro 1. Mecanismos de resistência a fármacos Mecanismo Exemplo importante Fármacos comumente afetados Inativação do fármaco Clivagem pela β-lactamase Fármacos β-lactâmicos, como penicilinas e cefalosporinas Modificação do alvo do fármaco nas bactérias 1) Mutação nas proteínas de ligação à penicilina Penicilinas 2) Mutação na proteína da subunidade ribossomal 30S Aminoglicosídeos, como a estreptomicina 3) Substituição da alanina por lactato no peptideoglicano Vancomicina 4) Mutação na DNA-girase Quinolonas 5) Mutação na RNA-polimerase Rifampina 6) Mutação na catalase-peroxidase Isoniazida Redução na permeabilidade ao fármaco Mutação nas proteínas porinas Penicilinas, aminoglicosídeos e outros Exportação do fármaco pelas bactérias Bomba de resistência a múltiplos fármacos Tetraciclinas, sulfonamidas, quinolonas Fonte: Levinson (2016, p. 86). Breve histórico da microbiologia 7 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Breve Histórico da Microbiologia | PARTE 1 17 No Brasil, o Comitê Brasileiro de Testes de Sensibilidade aos Antimi- crobianos (BrCAST) é responsável pela padronização dos testes de antimicrobianos de acordo com cada microrganismo identificado no laboratório. Acesse o site do BrCAST e saiba mais sobre a atuação do órgão. As infecções fúngicas são chamadas de micoses, pois estão relacionadas conforme o envolvimento tecidual e o modo de entrada no hospedeiro: sistê- mica, subcutânea, cutânea, superficial ou oportunista. Os fármacos envolvidos no tratamento são chamados de antifúngicos. Alguns fármacos antifúngicos, como a anfotericina B, o miconazol e o cetoconazol, são eficientes contra uma gama considerável de fungos patogênicos. Esses fármacos se associam aos esteróis da membrana plasmática fúngica e danificam a membrana (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). Os fungos também apresentam resistência ao tratamento com antifúngicos. Um exemplo é a candidíase vaginal, infecção crônica causada por Candida spp. que afeta milhares de mulheres. Na farmácia, a compra de antifúngicos é livre, não necessitando de receita médica. O uso abusivo de antifúngicos, como fluconazol, pode levar à resistência e a infecções recorrentes. Alguns protozoários possuem a forma de larvas, como o nematódeo Stron- gyloides, endêmico no sudeste dos Estados Unidos e na Europa. O Centro de Controle e Prevenção de Doenças dos Estados Unidos recentemente relatou a reemergência dessas infecções. As larvas vivem no solo e podem penetrar no homem diretamente através da pele. Porém, as larvas podem migrar até o intestino, causando dor abdominal, ou até os pulmões, provocando tosse. O tratamento se baseia em fármacos com atividade anti-helmíntica e antiprotozoária, como albendazol (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). O profissional de saúde no estudo da microbiologia Os cientistas na área de microbiologia realizam diversos estudos para contri- buir para a interação do homem com o planeta. As bactérias, apesar de serem úteis nos estudos de ciência básica e aplicada, estão envolvidas em processos infeciosos graves e podem levar a altos índices de mortalidade (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). Assim, o diagnóstico microbiológico é extremamente importante e pode salvar vidas. Ele abrange a caracterização de milhares de agentes que provocam doenças infecciosas ou estão associados aelas. Breve histórico da microbiologia8 18 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA A caracterização do agente infecioso é realizada por um exame direto, por meio de uma coloração específica e/ou métodos de cultura. Ainda, o microbiologista se baseia na utilização de métodos que permitem indicar a presença de determinado agente infeccioso em material clínico. Assim, diversos métodos podem ser aplicados além do exame direto e da cultura bacteriana. Metodologias com sistemas automatizados também são utilizadas no laboratório de microbiologia, que permitem a detecção, a identificação e a realização do teste de sensibilidade. Métodos de biologia molecular também auxiliam no processo de identificação, pois detectam a estrutura genética — normalmente DNA (XAVIER; DORA; BARROS, 2016). Algumas bactérias patogênicas podem crescer lentamente, podendo ser necessários dias ou mesmo semanas para seu isolamento e sua iden- tificação. Cabe ressaltar que nem todos os microrganismos podem ser cultivados. Um exemplo é o Treponema pallidum, o agente da sífilis, cujo diagnóstico é realizado por microscopia e técnicas de sorologia (LEVINSON, 2016). Após a obtenção das amostras clínicas para diagnóstico laboratorial, o médico deve iniciar o tratamento farmacológico contra o microrganismo que se acredita ser responsável pela doença do paciente. O laboratório é responsável pela liberação do teste de sensibilidade aos antimicrobianos, para ajustes da terapia farmacológica e sucesso do tratamento. Técnicas de biologia molecular são ferramentas importantes no laboratório de microbiologia, pois auxiliam na identificação de germes com características bioquímicas muito similares. Ainda, possuem um papel importante na detecção de mecanismos de resistência bacteriana e na avaliação das linhagens circu- lantes de determinadas espécies bacterianas. Como exemplo, podemos citar a identificação de espécies da bactéria Proteus: anteriormente, havia quatro espécies identificadas. No entanto, estudos moleculares de similaridade do DNA revelaram que duas das quatro espécies exibiam diferenças significativas, sendo então renomeadas como Morganella morganii e Providencia rettgeri (LEVINSON, 2016). O setor de microbiologia em um laboratório clínico emprega técnicas manuais. No entanto, a melhoria dos processos e a inovação são necessárias para o sucesso terapêutico. Saiba mais sobre o tema no artigo “No laboratório de microbiologia, tempo é mais que dinheiro”, do site LabNetwork. Breve histórico da microbiologia 9 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Breve Histórico da Microbiologia | PARTE 1 19 Referências BARROS, E.; MACHADO, A.; SPRINZ, E. (org.). Antimicrobianos: consulta rápida. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2013. LEVINSON, W. Microbiologia e imunologia médicas. 13. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016. (Lange). MADIGAN, M. T. et al. Microbiologia de Brock. 14. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016. TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 12. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. XAVIER, R. M.; DORA, J. M.; BARROS, E. (org.). Laboratório na prática clínica: consulta rápida. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016. Leitura recomendada BROOKS, G. F. et al. Microbiologia médica de Jawetz, Melnick e Adelberg. 26. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. Breve histórico da microbiologia10 ENCERRA AQUI O TRECHO DO LIVRO DISPONIBILIZADO PELA SAGAH PARA ESTA PARTE DA UNIDADE� PREZADO ESTUDANTE Parte 2 Fundamentos de Microbiologia O conteúdo deste livro é disponibilizado por SAGAH. unidade 1 22 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Listar os eventos que culminaram com o desenvolvimento da microbiologia. > Diferenciar os tipos celulares estudados pela microbiologia. > Caracterizar célula procarionte e eucarionte. Introdução A fundamentação e o futuro de qualquer ciência estão alicerçados em suas realiza- ções passadas. Mesmo que a microbiologia tenha raízes muito antigas, essa ciência não se desenvolveu de forma organizada até o século XIX, quando as tecnologias essenciais para seu desenvolvimento — como os microscópios e as técnicas de cultura — precisaram ser descobertas. Nos últimos 150 anos ou mais, a ciência da microbiologia demonstrou avanços sem precedentes e tem desenvolvido vários campos novos na biologia e na medicina moderna. Recentemente, a pandemia causada pelo vírus Sars-CoV-2, ou Covid-19, levou milhões de pessoas à morte em todo o mundo, além de gerar prejuízos econômicos e sociais. Nesse sentido, a microbiologia e o estudo das doenças infecciosas se tornam cada vez mais necessários. Além disso, a manipulação e o conhecimento dos microrganismos pode trazer diversos avanços tecnológicos nas áreas indus- triais e ambientais. Fundamentos de microbiologia Denise Diedrich Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 23 Neste capítulo, você vai estudar os principais eventos importantes para o desenvolvimento da microbiologia e os tipos celulares mais relevantes: bactérias, fungos, protozoários, algas e vírus. Além disso, você vai compreender as principais diferenças entre a célula procarionte e a eucarionte. Desenvolvimento da microbiologia A microbiologia é uma ciência inteiramente voltada ao estudo dos microrga- nismos —também denominados micróbios — e ao modo como eles funcionam. Essa ciência busca compreender a diversidade dos microrganismos, buscando entender por que e como surgiram. Além disso, a microbiologia trata da ecologia e, dessa forma, estuda o local onde os microrganismos vivem, como se associam e/ou cooperam entre si, com o ambiente e as demais espécies (p. ex., animais e plantas) (MADIGAN et al., 2016; FADER; ENGELKIRK; DUBEN- -ENGELKIRK, 2021). A ciência da microbiologia busca, principalmente, estudar duas áreas interconectadas: a natureza e o funcionamento dos microrganismos e a aplicabilidade do conhecimento acerca da microbiologia para beneficiar a humanidade e o meio ambiente. Assim, a microbiologia como uma ciência biológica básica utiliza o estudo das células microbianas para compreender os processos fundamentais da vida (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). A denominação microbiologia, em si, traz muito significado, pois "micro" significa “muito pequeno”, algo tão minúsculo que precisa ser visualizado com um microscópio (instrumento óptico utilizado para observar objetos muito pequenos) e "logia" significa "o estudo de". Com apenas raras exceções, os micróbios individualizados só podem ser observados com o uso dos vários tipos de microscópios. Além disso, eles são considerados onipresentes, ou seja, podem ser encontrados em praticamente todos os lugares. As diversas categorias de micróbios incluem vírus, bactérias, Archaea, protozoários e determinados tipos de algas e fungos. Elas serão discutidas de modo deta- lhado adiante no texto (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). A primeira vez que alguém ouve falar de micróbios pode ser quando sua mãe ou seu pai o adverte sobre a existência dos “germes”. Apesar de não ser um termo científico, eles são os micróbios que causam doenças, os pais se preocupam com a possibilidade de infecção por esses tipos de micróbios. Os microrganismos causadores de doenças são tecnicamente conhecidos Fundamentos de microbiologia2 24 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA como patógenos, mas também são designados como agentes infecciosos. Na verdade, apenas cerca de 3% dos microrganismos conhecidos são capazes de causar doença. Dessa maneira, em sua maioria, são não patogênicos, ou seja, não provocam doença (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Na superfície e no interior do corpo humano vivem aproximadamente 10 vezes mais micróbios do que a quantidade total de células que o constituem(100 trilhões de micróbios). Foi estimado que talvez até 500 a 1.000 espécies diferentes de micróbios vivam na superfície ou no interior do corpo. Em conjunto, são conhecidas como microbiota normal ou endógena (microbioma humano) e, em sua maior parte, são benéficas para a espécie humana. Alguns dos microrganismos que colonizam o corpo humano são conhecidos como patógenos oportunistas. Embora, geralmente, não causem nenhum problema, eles têm o potencial de provocar infecções se tiverem acesso a uma parte da anatomia em que normalmente não residem, ou, ainda, atacam quando o indivíduo está imunossuprimido (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Ao longo da história, diversas epidemias e pandemias foram responsáveis por milhões de mortes, como a peste negra, por exemplo, causada pela bactéria Yersina pestis no século XIV. No início do século XX, as infecções causadas por bactérias e vírus patogênicos representavam as principais causas de morte na humanidade, como a gripe espanhola, causada pelo vírus Influenza, por exemplo. Atualmente, no entanto, as doenças infecciosas apresentam menos letalidade, sobretudo nos países desenvolvidos, resultado da combinação de avanços no conhecimento das doenças e de seus agentes etiológicos, melhora das práticas sanitárias e de saúde pública, vacinação e o uso de agentes antimicrobianos (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). O desenvolvimento da microbiologia como ciência proporcionou estudos pioneiros das doenças infecciosas; no entanto, embora muitas doenças in- fecciosas estejam sob controle atualmente, muitas outras ainda representam uma ameaça à vida, principalmente em países em desenvolvimento. Doenças como malária, tuberculose, cólera, sarampo, pneumonia e outras doenças respiratórias, bem como síndromes diarreicas, ainda são comuns em países em desenvolvimento (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Fundamentos de microbiologia 3 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 25 Além disso, os seres humanos estão sob ameaça de doenças que poderiam emergir subitamente, como a gripe aviária ou suína, ou a febre hemorrágica do Ebola, por exemplo, cujo surgimento está cada vez mais relacionado às mudanças climáticas e ao desequilíbrio dos ecossistemas. Um exemplo recente é a pandemia causada pelo vírus Sars-CoV-2, que causou mais de 6,46 milhões de mortes ao redor do mundo até agosto de 2022, além de crise econômica e social. Dessa forma, os microrganismos ainda representam gra- ves ameaças à saúde humana em todas as partes do mundo, demonstrando cada vez mais a importância dos estudos microbiológicos (ALAM; SULTANA, 2021; CENTERS FOR DISEASE CONTROL AND PREVENTION, 2022; WORLD HEALTH ORGANIZATION, 2022). Embora uma pequena parcela dos microrganismos seja patogênica, a maior parte das espécies microbianas desempenha importante papel para a vida humana e nos ecossistemas do planeta. Vários exemplos poderiam ser citados, como os microrganismos envolvidos em ciclos elementares, como os do carbono, do nitrogênio, do oxigênio, do enxofre e do fósforo. No ciclo do nitrogênio, determinadas bactérias convertem o gás nitrogênio do ar em amônia no solo. Em seguida, outras bactérias do solo convertem a amônia em nitritos e nitratos. Outras bactérias ainda convertem o nitrogênio dos nitratos em gás nitrogênio, completando, assim, o ciclo (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Alguns micróbios vivem no trato intestinal de animais, onde ajudam na digestão do alimento e, em alguns casos, produzem substâncias valiosas para o hospedeiro animal. Por exemplo, a bactéria E. coli, que vive no trato intestinal humano, produz as vitaminas K e B1, que são absorvidas e utilizadas pelo corpo. Outro exemplo é o dos micróbios essenciais em várias indústrias de alimentos e bebidas, enquanto outros são utilizados na produção de determinadas enzimas e substâncias químicas (FADER; ENGELKIRK; DUBEN- -ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). As bactérias e os protozoários foram os primeiros micróbios a serem ob- servados pelos seres humanos, e foram necessários cerca de 200 anos para estabelecer uma conexão entre os microrganismos e as doenças infecciosas. Entre os acontecimentos mais significativos nos primórdios da história da microbiologia, destacam-se o desenvolvimento dos microscópios, os métodos de coloração das bactérias, as técnicas que possibilitaram a cultura (cresci- mento) dos microrganismos em laboratório e as etapas que provaram que micróbios específicos eram responsáveis por doenças infecciosas específicas. No decorrer dos últimos 400 anos, muitos indivíduos contribuíram para o Fundamentos de microbiologia4 26 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA atual conhecimento dos microrganismos; neste capítulo, são discutidos al- guns dos microbiologistas pioneiros (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021). Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) Como Anton van Leeuwenhoek foi a primeira pessoa a observar bactérias e protozoários vivos, algumas vezes ele é chamado como “pai da microbiologia”, “pai da bacteriologia” e “pai da protozoologia.” É interessante assinalar que Leeuwenhoek não era cientista formado. Durante a sua vida, foi comerciante de tecidos, inspetor, provador de vinhos e funcionário público em Delft, na Holanda. Como passatempo, ele polia lentes de vidro minúsculas que montava em pequenas armações de metal, criando, assim, o que hoje se conhece como microscópio de lente simples ou microscópio simples. Durante a sua vida, construiu mais de 500 desses aparelhos. A arte de Leeuwenhoek de polir lentes capazes de ampliar um objeto até 200 a 300 vezes o seu tamanho foi perdida com a sua morte, visto que ele não ensinou essa habilidade a ninguém durante a sua vida (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Aparentemente, Leeuwenhoek era dotado de uma insaciável curiosidade, visto que utilizava seus microscópios para examinar quase tudo que podia pegar em suas mãos. Ele examinava raspados de seus dentes, água de valas e lagos, água na qual tinha deixado de molho pimentas em grão, sangue, espermatozoides e até mesmo as próprias fezes diarreicas. Em muitas dessas amostras, ele observou várias criaturas vivas minúsculas, às quais deu o nome de “animalículos”. Leeuwenhoek registrou suas observações em cartas dirigidas à Sociedade Real de Londres (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Uma vez convencidos da existência dessas minúsculas criaturas que não podiam ser observadas a olho nu, os estudiosos começaram a especular a sua origem. Assim, com base em observações, muitos dos cientistas daquela época acreditaram que a vida podia se desenvolver de modo espontâneo a partir de substâncias inanimadas, como cadáveres em decomposição, solo e gases de pântanos. A ideia de que a vida poderia surgir espontaneamente a partir de material não vivo foi denominada teoria da geração espontânea ou abiogênese. Por mais de dois séculos, de 1650 a 1850, essa teoria foi debatida e testada. Após o trabalho de outros pesquisadores, Louis Pasteur e John Tyndall refutaram finalmente a teoria da geração espontânea e provaram que Fundamentos de microbiologia 5 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 27 a vida só pode surgir a partir de vida preexistente. Essa teoria, denominada teoria da biogênese, foi inicialmente proposta por um cientista alemão, Rudolf Virchow, em 1858. No entanto, ela não especula a origem da vida, um assunto que vem sendo debatido há centenas de anos (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al.,2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Louis Pasteur (1822-1895) Louis Pasteur foi um químico francês que fez inúmeras contribuições para o campo recém emergente da microbiologia, e, de fato, suas contribuições são consideradas por muitas pessoas como o fundamento da ciência da microbiologia e um dos pilares da medicina moderna. Enquanto procurava descobrir por que o vinho se degradava, Pasteur observou o que acontece durante a fermentação alcoólica. Ele também demonstrou que diferentes tipos de micróbios produzem diversos produtos de fermentação. Por exem- plo, as leveduras utilizam a glicose presente nas uvas e produzem álcool etílico por fermentação; entretanto, certas bactérias contaminantes, como Acetobacter, convertem a glicose em ácido acético também por fermentação, arruinando, assim, o sabor do vinho (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021). Por meio de seus experimentos, Pasteur derrubou a teoria da geração espontânea, descobriu que formas de vida podiam existir na ausência de oxigênio, introduzindo os termos “aeróbios” (organismos que necessitam de oxigênio) e “anaeróbios” (organismos que não necessitam de oxigênio). Pasteur também desenvolveu um processo (hoje conhecido como pasteurização) para matar microrganismos que causavam deterioração do vinho — um problema econômico para a indústria de vinhos da França. A pasteurização pode ser utilizada para matar patógenos em muitos tipos de líquidos, auxiliando na conservação e no controle de doenças. Hoje em dia, a pasteurização é reali- zada pelo aquecimento dos líquidos a 63 a 65°C durante 30 minutos, ou a 73 a 75°C por 15 segundos. É importante assinalar que a pasteurização não mata todos os micróbios presentes em líquidos, apenas os patogênicos (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Pasteur fez importantes contribuições para a teoria germinal das doenças, segundo a qual microrganismos específicos causam doenças infecciosas específicas. Por exemplo, o antraz é provocado pelo Bacillus anthracis, en- quanto a tuberculose é provocada pela Mycobacterium tuberculosis. Na área Fundamentos de microbiologia6 28 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA hospitalar, Pasteur promoveu mudanças para diminuir a disseminação de doenças causadas por microrganismos patogênicos e desenvolveu vacinas para a cólera aviária, o antraz e a erisipela suína (uma doença cutânea), o que o tornou famoso na França (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Em 1885, enquanto estava desenvolvendo uma vacina que evitaria a raiva em cães, Louis Pasteur deparou-se com um menino de 9 anos de idade que havia sido mordido 14 vezes por um cão raivoso e estava fadado à morte. Apesar dos dilemas éticos, Pasteur injetou a vacina na criança na tentativa de salvar-lhe a vida. O menino sobreviveu, e Pasteur desenvolveu uma vacina contra a raiva em cães e a utilizou de forma bem-sucedida para o tratamento da raiva humana. Para homenagear Pasteur e continuar o seu trabalho foi criado o Instituto Pasteur, em Paris, em 1888, o qual se tornou uma clínica para o tratamento da raiva, um centro de pesquisa para doenças infecciosas e um centro de ensino (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Robert Koch (1843-1910) Robert Koch foi um médico alemão que fez numerosas contribuições para a ciência da microbiologia. Ele provou, por exemplo, que o bacilo do antraz (B. anthracis), que tinha sido anteriormente descoberto por outros cientistas, era de fato o agente causador do antraz. Essa constatação foi obtida por meio de uma série de etapas científicas desenvolvidas por ele e seus colaboradores, que posteriormente ficaram conhecidas como postulados de Koch (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Entre muitas descobertas importantes, Kock desenvolveu métodos para a fixação, a coloração e a obtenção de fotografias das bactérias e desenvolveu métodos de cultura para bactérias em meios sólidos. Um de seus colegas, R. J. Petri, inventou um prato de vidro plano (atualmente conhecido como placa de Petri) para a cultura de bactérias em meio sólido. Foi Frau Hesse, a esposa de outro colaborador de Koch, que sugeriu a utilização do ágar (um polissacarídeo obtido de algas marinhas) como agente solidificante. Esses métodos possibilitaram a Koch obter culturas puras de bactérias. As placas de Petri contendo ágar ainda são utilizadas para a cultura de bactérias e fungos em laboratórios (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Fundamentos de microbiologia 7 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 29 Além disso, Kock descobriu a bactéria que causa tuberculose (M. tuber- culosis) e a que provoca cólera (Vibrio cholerae). O trabalho de Koch com a tuberculina (uma proteína derivada da M. tuberculosis) levou, finalmente, ao desenvolvimento de um teste cutâneo valioso no diagnóstico da tuberculose (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Célula procarionte e eucarionte A microbiologia estuda basicamente duas categorias principais de micró- bios, os acelulares (também chamados de partículas infecciosas) e celu- lares (também chamados de microrganismos). Em função de seu tamanho, poucos detalhes relativos à sua estrutura podem ser obtidos com o uso do microscópio óptico composto, fazendo com que o conhecimento sobre a ultraestrutura dos micróbios fosse adquirido por meio da utilização dos microscópios eletrônicos (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MA- DIGAN et al., 2016). Para a biologia, uma célula é definida como a unidade fundamental de qualquer organismo vivo, tendo em vista que assim como o organismo como um todo, a célula exibe as características básicas da vida. Uma célula obtém alimento (nutrientes) do meio ambiente para produzir a energia necessária ao metabolismo (todas as reações químicas que ocorrem no interior de uma célula) e outras atividades. Graças ao metabolismo, uma célula pode manter-se viva, crescer e se reproduzir. Além disso, pode res- ponder a estímulos provenientes do seu meio ambiente, como luz, calor, frio e a presença de substâncias químicas. Uma célula pode sofrer mutação (alteração genética) devido a mudanças em seu material genético (o ácido desoxirribonucleico [DNA]) que compõe os genes de seus cromossomos e, em consequência, pode tornar-se mais ou menos adaptada a seu meio ambiente (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). As células bacterianas exibem todas as características da vida, embora não tenham o complexo sistema de membranas e organelas encontrado nos organismos unicelulares mais evoluídos. Essas células menos complexas, que incluem Bacteria e Archaea, são denominados procariontes ou células procarióticas. As mais complexas, que contêm um núcleo verdadeiro e mui- tas organelas envolvidas por membrana, são chamadas de eucariontes ou Fundamentos de microbiologia8 30 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA células eucarióticas. Os eucariontes incluem organismos como as algas, os protozoários, os fungos, as plantas, os animais e os seres humanos. Alguns micróbios são procarióticos, outros são eucarióticos, e outros, ainda, como os vírus, não são células, conforme esquematiza a Figura 1 (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Figura 1. Micróbios acelulares e celulares. Fonte: Adaptada de Fader, Engelkirk e Duben-Engelkirk (2021). Os vírus são compostos apenas de alguns genes protegidos por um reves- timento de proteína e, algumas vezes, podem conter uma ou mais enzimas. Para se reproduzirem, eles dependem da energia e da maquinaria metabólica de uma célula hospedeira. Por serem acelulares, são classificados dentro de uma categoria totalmente separada (FADER; ENGELKIRK;DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). É essencial, para os profissionais da área de saúde, aprender as diferenças na estrutura de várias células, não apenas com o propósito de identificá-las, mas também de compreender as diferenças existentes no seu metabolismo. Esses fatores precisam ser conhecidos antes que se possa determinar ou explicar por que os agentes (fármacos) antimicrobianos atacam e destroem os patógenos, mas não danificam as células humanas. Neste sentido, a cito- logia, que é o estudo da estrutura e da função das células, desenvolveu-se nos últimos 75 anos com a ajuda do microscópio eletrônico e da pesquisa bioquímica sofisticada (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Fundamentos de microbiologia 9 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 31 Os eucariontes (eu = verdadeiro; karyo = refere se a uma noz ou núcleo) são assim denominados por terem um núcleo verdadeiro, em que o DNA está envolvido por uma membrana nuclear. As células animais e vegetais medem, em sua maioria, 10 a 30 μm, ou seja, são aproximadamente 10 vezes maiores do que a maioria das células procarióticas. A Figura 2 ilustra uma célula eucariótica animal e vegetal típica. Essa ilustração é uma composição feita com a maioria das estruturas que podem ser encontradas nos vários tipos de células do corpo humano ou em uma planta (FADER; ENGELKIRK; DUBEN- -ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Figura 2. Diagrama altamente esquemático da composição de uma célula eucariótica, metade planta e metade animal. Fonte: Tortora, Funke e Case (2012, p. 99). A célula eucarionte é revestida e mantida intacta pela membrana celular, que também é denominada membrana plasmática ou membrana citoplas- mática. Do ponto de vista estrutural, se trata de um mosaico composto de moléculas de proteínas e fosfolipídeos (certos tipos de gorduras). A membrana celular regula a passagem dos nutrientes, dos produtos de degradação e das secreções para dentro e para fora da célula (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021). Fundamentos de microbiologia10 32 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA A principal diferença entre as células procarióticas e eucarióticas é a presença de um “núcleo verdadeiro” nos eucariontes, o que não acontece nas procarióticas. O núcleo controla as funções celulares e apresenta três partes principais: o nucleoplasma, os cromossomos e a membrana nuclear. Os cromossomos estão inseridos ou suspensos no nucleoplasma, que consiste na matriz gelatinosa, ou material de base, do núcleo. A membrana, que serve como “pele” ao redor do núcleo, é denominada membrana nuclear e contém orifícios (poros nucleares) através dos quais moléculas podem entrar e sair. Os cromossomos das células eucarióticas são compostos por moléculas lineares de DNA e proteínas (histonas e não histonas). Os genes estão localizados ao longo das moléculas de DNA (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). O citoplasma é uma matriz nutritiva semifluida e gelatinosa. No seu interior, são encontrados grânulos de armazenamento insolúveis e diversas orga- nelas citoplasmáticas, incluindo retículo endoplasmático (RE), ribossomos, complexos de Golgi, mitocôndrias, centríolos, microtúbulos, lisossomos e outros vacúolos delimitados por membrana. Cada uma dessas organelas desempenha uma função altamente específica, e todas essas funções estão inter-relacionadas para manter a célula e possibilitar a realização adequada de suas atividades (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). As células procarióticas são aproximadamente 10 vezes menores do que as eucarióticas. Uma célula típica de E. coli mede cerca de 1 μm de largura e 2 a 3 μm de comprimento. Do ponto de vista estrutural, os procariontes são células muito simples quando comparadas com as células eucarióticas e, mesmo assim, são capazes de realizar os processos necessários para a vida. A reprodução das células procarióticas ocorre por divisão binária, isto é, a divisão simples de uma célula em duas após a replicação do DNA e a formação de uma membrana e uma parede celular que separam as células. Todas as bactérias são procariontes, assim como as Archaea. No interior do citoplasma das células procarióticas encontram-se um cromossomo, ribossomos e outras partículas citoplasmáticas, conforme a Figura 3 (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Fundamentos de microbiologia 11 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 33 Figura 3. Estrutura da célula procariótica. As estruturas marcadas em vermelho são encon- tradas em todas as bactérias. O desenho e a micrografia mostram a bactéria seccionada transversalmente para revelar a composição interna. Fonte: Tortora, Funke e Case (2012, p. 80). Diferentemente das células eucarióticas, o citoplasma das procarióticas não é preenchido por membranas internas. O citoplasma é circundado por uma membrana celular, uma parede celular (geralmente) e, algumas vezes, por uma cápsula ou camada limosa. Estas últimas três estruturas compõem o envoltório da célula bacteriana. Dependendo da espécie de bactéria, podem se observar flagelos, fimbrias, pili ou ambos na parte externa do envoltório da célula; algumas vezes, é possível ver um esporo dentro da célula. No Quadro 1 estão resumidas as principais diferenças estruturais das células procarióticas e eucarióticas (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Quadro 1. Comparação entre as células eucarióticas e procarióticas Células eucarióticas Células procarióticas Parâmetros Vegetais Animais Distribuição biológica Todas as plantas, os fungos e as algas Todos os animais e protozoários Todas as bactérias (Continua) Fundamentos de microbiologia12 34 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Células eucarióticas Células procarióticas Membrana nuclear Presente Presente Ausente Estruturas membranosas além da membrana celular Presentes Presentes Geralmente ausentes, exceto os mesossomos e as membranas fotossintéticas Microtúbulos Presentes Presentes Ausentes Ribossomos citoplasmáticos (densidade) 80S 80S 70S Cromossomos Constituídos de DNA e de proteínas Constituídos de DNA e de proteínas Constituídos apenas de DNA Flagelos ou cílios Quando presentes, têm uma estrutura complexa Quando presentes, têm uma estrutura complexa Quando presentes, os flagelos apresentam uma estrutura proteica contorcida simples. As células procarióticas não apresentam cílios Parede celular Quando presente, exibe uma constituição química simples; geralmente contém celulose Ausente Constituição química complexa, contendo peptideoglicano Fotossíntese (clorofila) Presente Ausente Presente nas cianobactérias e em algumas outras bactérias Fonte: Adaptado de Fader, Engelkirk e Duben-Engelkirk (2021). (Continuação) Fundamentos de microbiologia 13 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 35 Tipos celulares estudados pela microbiologia A microbiologia é o estudo dos micróbios, cuja maior parte é demasiado pequena para ser vista a olho nu. Os micróbios podem ser divididos em: verdadeiramente celulares (bactérias, Archaea, algas, protozoários e fungos) e acelulares (vírus, viroides e príons). Os microrganismos celulares podem ser subdivididos em procariontes (bactérias e Archaea) e eucariontes (algas, protozoários e fungos). Por uma variedade de razões, os acelulares não são considerados organismos vivos pela maioria dos cientistas (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). VírusAs partículas virais completas, denominadas vírions, são muito pequenas e de estrutura simples. A maioria dos vírus varia, quanto a seu tamanho, de 10 a 300 nm de diâmetro, porém alguns, como o vírus Ebola, pode alcançar até 1 μm de comprimento. Os menores vírus têm aproximadamente o tamanho da grande molécula de hemoglobina de um eritrócito; por isso, os cientistas eram incapazes de visualizá-los até a invenção do microscópio eletrônico, na década de 1930 (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). São reconhecidas cinco propriedades específicas dos vírus, que os dis- tinguem das células vivas (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN- -ENGELKIRK, 2021). 1. A maioria dos vírus apresenta DNA ou RNA, diferentemente das células vivas, que têm ambos. 2. Os vírus são incapazes de se replicar (multiplicar) por si sós; sua re- plicação é dirigida pelo ácido nucleico viral após ter sido introduzido em uma célula hospedeira. 3. Diferentemente das células, eles não se dividem por divisão binária, mitose ou meiose. 4. Carecem dos genes e das enzimas necessários para a produção de energia. 5. Dependem dos ribossomos, das enzimas e dos metabólitos da célula hospedeira para a síntese de proteínas e ácidos nucleicos. Fundamentos de microbiologia14 36 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Um vírion típico consiste em um genoma de DNA ou de RNA, circundado por um capsídeo (capa de proteína), que é composto de muitas unidades proteicas pequenas, denominadas capsômeros. Juntos, o ácido nucleico e o capsídeo são designados como nucleocapsídeo. Alguns vírus (chamados de envelopados) têm um envelope externo composto de lipídeos e de polissacarídeos. Os vírus são classificados com base em várias características, resumidas na Figura 4 (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021). Figura 4. Estrutura da célula procariótica. As estruturas marcadas em vermelho são encon- tradas em todas as bactérias. O desenho e a micrografia mostram a bactéria seccionada transversalmente para revelar a composição interna. Fonte: Adaptada de Fader, Engelkirk e Duben-Engelkirk (2021). Bactérias O domínio Archaea contém organismos que são amplamente divididos em três categorias fenotípicas, ou seja, com base em suas características físicas: bactérias gram-negativas e com parede celular, bactérias gram positivas e Fundamentos de microbiologia 15 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 37 com parede celular e bactérias que carecem de parede celular. Muitas carac- terísticas das bactérias são examinadas para fornecer dados utilizados na identificação e classificação. Elas incluem o formato e o arranjo morfológico das células, as reações de coloração, a motilidade, a morfologia das colônias, as necessidades atmosféricas, as exigências nutricionais, as atividades bio- químicas e metabólicas, as enzimas específicas produzidas pelo organismo, a patogenicidade (capacidade de causar doença) e a constituição genética (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Com o uso do microscópio óptico composto, é fácil observar o tamanho, o formato e o arranjo morfológico de várias bactérias. Elas variam enormemente quanto ao tamanho e, em geral, consistem em esferas que medem cerca de 0,2 μm de diâmetro até espiraladas de 10 μm de comprimento e, inclusive, filamentosas ainda mais longas. São observadas três formas básicas de bactérias: redondas ou esféricas (os cocos), retangulares ou em forma de bastonete (os bacilos) e curvas e espiraladas (algumas vezes designadas como espirilos), conforme a Figura 5 (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). Figura 5. Categorias de bactérias com base na forma de suas células. Fonte: Adaptada de Fader, Engelkirk e Duben-Engelkirk (2021). Na natureza, a maioria das bactérias é incolor, transparente e difícil de ser observada. Por esse motivo, foram desenvolvidos vários métodos de coloração para ajudar os cientistas a examiná-las. Durante a preparação para a coloração, as bactérias são esfregadas em uma lâmina de vidro (produzindo o chamado “esfregaço”), deixadas para secar ao ar e, em seguida, “fixadas”. Fundamentos de microbiologia16 38 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Um dos métodos de coloração mais utilizados é o método de Gram, desen- volvido em 1883 pelo Dr. Hans Christian Gram, que passou a constituir o mais importante procedimento de coloração no laboratório de bacteriologia, visto que diferencia as bactérias “gram-positivas” das “gram-negativas”. A reação de Gram dos organismos auxilia na identificação, pois a cor adquirida pelas bactérias no final do procedimento de coloração de Gram depende da composição química de sua parede celular, conforme demonstra a Figura 6. Se elas não perderem a sua cor durante a etapa de descoloração, terão uma coloração azul a púrpura no final do procedimento, sendo consi- deradas “gram-positivas”. A camada espessa de peptideoglicano nas paredes celulares das bactérias gram-positivas dificulta a remoção do complexo cristal violeta-iodo durante a etapa de descoloração. Por outro lado, se ela adquirir uma coloração rosada a vermelha, trata-se de uma bactéria gram-negativa (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Figura 6. Diferenças entre as paredes celulares de bactérias gram-negativas e gram-positivas. Fonte: Adaptada de Fader, Engelkirk e Duben-Engelkirk (2021). Fungos Os fungos constituem um grupo diverso, e seu estudo é denominado mico- logia. Os fungos são encontrados em quase todas as partes na Terra, alguns (saprófitas) vivem na matéria orgânica, na água e no solo, enquanto outros (parasitas) vivem na superfície e no interior de animais e plantas. Algumas espécies são prejudiciais, causando doenças ou prejuízos econômicos pela Fundamentos de microbiologia 17 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 39 deterioração de alimentos e produtos. No entanto, a grande maioria das espécies fúngicas vive em simbiose e oferece muitos benefícios ao ambiente e ao ser humano, sendo importantes na produção de queijos, cerveja, vinho e outros itens alimentícios, além de certos fármacos (ciclosporina, um imunos- supressor) e antibióticos (penicilina) (BLACK; BLACK, 2021; FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021). Estima-se que os fungos constituam o grupo mais diversificado de or- ganismos na Terra, incluindo leveduras, bolores e até mesmo cogumelos. Como saprófitas, sua principal fonte de alimento é constituída por matéria orgânica morta e em decomposição. Embora muitos fungos sejam unicelu- lares (leveduras e microsporídeos), outros crescem na forma de filamentos denominados hifas, que se entrelaçam para formar uma massa chamada de micélio ou talo. Alguns fungos têm hifas septadas, ou seja, o citoplasma no interior da hifa é dividido em células por paredes transversais ou septos; já outros têm hifas asseptadas com citoplasma multinucleado. Dependendo da espécie, as células dos fungos podem reproduzir-se por brotamento, extensão das hifas ou formação de esporos que podem ser sexuados e assexuados (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; LEVINSON et al., 2022). Algas As algas são organismos eucarióticos fotossintéticos que, juntamente com os protozoários, são classificados como pertencentes ao reino Protista. Todas as células das algas são constituídas de citoplasma, parede celular (geralmente), membrana celular, núcleo, plastídeos, ribossomos, mitocôndrias e corpúscu- los de Golgi. Além disso, algumas células de algas apresentam uma película (membrana celular mais espessa), um estigma (organela que é um sensor de luz, também conhecida como ocelo) e flagelos. Embora não sejam plantas e careçam de raízes verdadeiras,caules e folhas, as algas assemelham-se mais a vegetais do que aos protozoários (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; MADIGAN et al., 2016). As algas variam, quanto ao tamanho, desde organismos microscópicos minúsculos e unicelulares (p. ex., diatomáceas, dinoflagelados e desmídias) até grandes algas marinhas multicelulares e semelhantes a plantas. Dessa forma, nem todas são microrganismos, podendo formar colônias ou fila- mentos, e podem ser encontradas na água doce e na salgada, em solos ou rochas úmidas. As algas produzem a sua energia por fotossíntese, utilizando energia solar, dióxido de carbono, água e nutrientes inorgânicos do solo para Fundamentos de microbiologia18 40 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA sintetizar o material celular. No entanto, algumas espécies utilizam nutrientes orgânicos, enquanto outras sobrevivem com uma quantidade muito pequena de luz solar (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Protozoários Os protozoários são organismos eucarióticos que, juntamente com as al- gas, são classificados como protistas, uma decisão não unânime entre os taxonomistas. O estudo dos protozoários é denominado protozoologia. Os protozoários são, em sua maioria, unicelulares, e o seu tamanho varia de 3 a 2.000 μm. A maior parte é de organismos de vida livre, encontrados no solo e na água. As células dos protozoários são mais semelhantes às de animais do que às de vegetais, mas todas têm uma variedade de estruturas e organelas eucarióticas, incluindo membranas celulares, núcleo, retículo endoplasmático, mitocôndrias, corpúsculos de Golgi, lisossomos, centrí- olos e vacúolos digestivos. Além disso, alguns protozoários apresentam películas, citóstomas, vacúolos contráteis, pseudópodes, cílios e flagelos (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). Os protozoários são desprovidos de clorofila e, portanto, são incapazes de produzir o próprio alimento pela fotossíntese. Alguns ingerem algas intei- ras, leveduras, bactérias e protozoários menores como fonte de nutrientes, enquanto outros vivem em matéria orgânica morta e em decomposição. O ciclo de vida típico de um protozoário consiste no estágio trofozoíta no qual é móvel, se alimenta e se divide, enquanto o cisto é o estágio de sobrevi- vência imóvel e dormente. Alguns protozoários são parasitas, degradando e absorvendo os nutrientes do corpo do hospedeiro onde vivem. Muitos deles são patógenos, como os que causam a malária e a giardíase, por exemplo. Outros protozoários coexistem com o animal hospedeiro em um tipo de re- lação simbiótica mutualística — em que ambos os organismos se beneficiam (FADER; ENGELKIRK; DUBEN-ENGELKIRK, 2021; RIEDEL et al., 2022; TORTORA; FUNKE; CASE, 2012). A microbiologia, portanto, é uma ciência indispensável para o desenvolvi- mento humano, a prevenção e o tratamento de doenças e desenvolvimento econômico. Ao longo da história, essa ciência se provou essencial ao aumento da expectativa e da qualidade de vida do ser humano. A curiosidade e a ge- nialidade de diversos cientistas propiciaram descobertas que, acumuladas, Fundamentos de microbiologia 19 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Fundamentos de Microbiologia | PARTE 2 41 alicerçaram o conhecimento e o desenvolvimento de importantes avanços médicos como as vacinas e os fármacos antimicrobianos. Por fim, o conhecimento aliado às práticas sustentáveis pode trazer o equilíbrio entre espécies de seres vivos tão pequenos e a humanidade, pre- venindo o surgimento de novas pandemias. Referências ALAM, S.; SULTANA, R. Influences of climatic and non-climatic factors on COVID-19 outbreak: A review of existing literature. Environmental Challenges, v. 5, p. 1-8, 2021. BLACK, J. G.; BLACK, L. J. Microbiologia: fundamentos e perspectivas. 10. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CENTERS FOR DISEASE CONTROL AND PREVENTION. Covid data tracker. Atlanta: CDC, 2022. Disponível em: https://covid.cdc.gov/covid-data-tracker/#global-counts-rates. Acesso em: 4 set. 2022. FADER, R.; ENGELKIRK, P.; DUBEN-ENGELKIRK, J. Burton: microbiologia para as ciências da saúde. 11. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. LEVINSON, W. et al. Microbiologia médica e imunologia: um manual clínico para doenças infecciosas. 15. ed. Porto Alegre: AMGH, 2022. MADIGAN, M. T. et al. Microbiologia de Brock. 14. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016. RIEDEL, S. et al. Microbiologia médica de Jawetz, Melnick & Adelberg. 28. ed. Porto Alegre: AMGH, 2022. TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2012. WORLD HEALTH ORGANIZATION. WHO Coronavirus (COVID-19) dashboard. Geneva: WHO, 2022. Disponível em: https://covid19.who.int/. Acesso em: 4 set. 2022. Leituras recomendadas FEIJÓ, R. B.; SÁFADI, M. A. Imunizações: três séculos de uma história de sucessos e constantes desafios. Jornal de Pediatria, v. 82, n. 3 suppl., p. s1-s3, 2006. Disponível em: https://doi.org/10.1590/S0021-75572006000400001. Acesso em: 4 set. 2022. UJVARI, S. C. A história e suas epidemias: a convivência do homem com os microrganismos. Revista do Instituto de Medicina Tropical de São Paulo, v. 45, n. 4, pp. 212, 2003. Disponível em: https://doi.org/10.1590/S0036-46652003000400017. Acesso em: 4 set. 2022. Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Fundamentos de microbiologia20 ENCERRA AQUI O TRECHO DO LIVRO DISPONIBILIZADO PELA SAGAH PARA ESTA PARTE DA UNIDADE� PREZADO ESTUDANTE Parte 3 Classificação dos Microrganismos O conteúdo deste livro é disponibilizado por SAGAH. unidade 1 44 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Classificar evolutivamente bactérias, fungos, protozoários e animais pa- rasitas. > Diferenciar morfologicamente os microrganismos. > Reconhecer os microrganismos de importância agrícola e suas interações com artrópodes. Introdução A disciplina de microbiologia remete ao estudo dos microrganismos, grupo de seres microscópicos que existem em células isoladas ou em aglomerados. Os vírus também são inseridos neste grupo, mas não são células. Os microrganismos estão envolvidos em diversos processos, como no transporte dos elementos químicos essenciais à vida — carbono, nitrogênio, enxofre, hidrogênio e oxigênio —, bem como na fotossíntese. Eles também têm uma relação com os homens, que pode ser considerada saudável ou gerar um processo infeccioso. Os microrganismos já existiam na Terra há bilhões de anos antes do surgi- mento das plantas e dos animais, possuindo diversidade genética e fisiológica. No ramo das ciências biomédicas, é fundamental estudar os seres popularmente conhecidos como germes e sua interação com o meio ambiente. Essa é a base da microbiologia, que estuda o contexto histórico e a divisão de espécies dos seres microscópicos. Classificação dos microrganismos Lisiane da Luz Rocha Balzan Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação dos Microrganismos | PARTE 3 45 Neste capítulo, você vai conhecer a classificação evolutiva de bactérias, fungos, protozoários e animais parasitas, juntamente com a sua diferenciação morfológica. Também reconheceremos os microrganismos de importância agrícola e suas interações com artrópodes. Classificação evolutiva de bactérias, fungos, protozoários e animais A microbiologia é a ciência que estuda os microrganismos, o modo como eles funcionam e sua interação com o hospedeiro.A microbiologia também trata da diversidade e da evolução das células microbianas, bem como do local onde os microrganismos vivem na Terra e das formas como eles se associam e cooperam uns com os outros (MADIGAN et al., 2016). Podemos diferenciar os microrganismos observando os tipos de células. Todas as células possuem uma barreira de permeabilidade chamada de membrana citoplasmática, que separa o interior da célula, o citoplasma, do ambiente externo. Conforme Madigan et al. (2016), o citoplasma é uma mistura aquosa de macromoléculas — proteínas, lipídeos, ácidos nucleicos e polissacarídeos —, moléculas orgânicas menores, diversos íons inorgânicos e ribossomos, as estruturas sintetizadoras de proteínas das células. A parede celular confere resistência estrutural à célula; é uma estrutura relativamente permeável localizada exteriormente à membrana plasmática, além de ser uma camada muito mais forte do que a membrana em si. Células de plantas e a maioria dos microrganismos possuem parede celular, enquanto as células animais, com raras exceções, não possuem. Os microrganismos são agrupados em procariotos e eucariotos de acordo com as estruturas celulares internas. Os procariotos incluem os domínios Bacteria e Archaea e consistem em células pequenas e estruturalmente bas- tante simples. Os eucariotos são maiores do que os procariotos e contêm uma variedade de estruturas citoplasmáticas envoltas em membranas chamadas de organelas. Estas incluem o núcleo — que contém o DNA —, mas também mitocôndrias e cloroplastos, organelas especializadas no fornecimento de energia para a célula. Os microrganismos eucariotos incluem algas, protozo- ários e outros protistas, bem como os fungos. As células de plantas e animais também são eucarióticas (MADIGAN et al., 2016). Classificação dos microrganismos 2 46 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Os protozoários são seres unicelulares incapazes de realizar fotossíntese. Os fungos são eucariontes não fotossintéticos que crescem como uma massa de filamentos ramificados e entrelaçados, chamados de hifas, conhecida como micélio. As formas miceliais são denominados bolores; alguns tipos, conhe- cidos como leveduras, não formam micélio, mas são facilmente reconhecidos como fungos pela natureza de seus processos de reprodução sexuada e pela presença de formas de transição (BROOKS et al., 2014). Os organismos podem utilizar fontes de carbono para sua nutrição e síntese biológica de novos microrganismos. As plantas e algumas bacté- rias têm a propriedade de utilizar a energia da fotossíntese para reduzir o dióxido de carbono à custa de água. Esses organismos pertencem ao grupo dos autótrofos, isto é, seres que não necessitam de nutrientes orgânicos para seu crescimento. Neste grupo também encontramos uma subdivisão em seres quimiolitotróficos, que utilizam um substrato inorgânico, como o hidrogênio ou o tiossulfato, como redutor, e dióxido de carbono como fonte de carbono. Já os heterótroficos necessitam de carbono orgânico para seu crescimento — por exemplo, a utilização do naftaleno pode fornecer todo o carbono e a energia necessários para o crescimento heterotrófico respiratório (BROOKS et al., 2014). As principais características que diferenciam os procariotos consistem em seu tamanho relativamente pequeno e na ausência de membrana nuclear. O DNA de quase todas as bactérias é um círculo pequeno, representando o cro- mossomo procarioto. A maioria dos procariotos possui um único cromossomo. Os seres humanos são colonizados por microrganismos que estabe- lecem residência permanente, mas não produzem doença em condições normais. Constituem a microbiota, ou flora, normal do corpo humano. Alguns microrganismos estão na chamada microbiota transiente, ou seja, podem estar presentes por um período e depois desaparecerem (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017). A relação entre a microbiota normal e o hospedeiro é chamada de simbiose, na qual pelo menos um microrganismo depende do outro. Em outra forma de simbiose, pode ocorrer que um organismo beneficia-se obtendo nutrientes à custa de outro; esta relação é chamada de parasitismo. Conforme explicam os autores, um exemplo são bactérias causadoras de infecções, podendo ocasionar complicações graves. Classificação dos microrganismos 3 Fundamentos e Técnicas em Microbiologia: História, Classificação e Identificação | UNIDADE 1 Classificação dos Microrganismos | PARTE 3 47 Diferenças morfológicas entre os microrganismos Os microrganismos estão presentes em qualquer lugar da Terra capaz de dar suporte à vida. No corpo humano, as células microbianas superam o número de células do nosso corpo em um fator de dez. A esterilidade (ausência de formas de vida) em qualquer amostra natural é extremamente rara. Os microrganismos estão presentes também no solo, na água e no ar (MADIGAN et al., 2016). Embora várias doenças infecciosas estejam sob controle, muitas outras ainda podem ser uma grande ameaça à vida, sobretudo em países em desen- volvimento. Segundo Madigan et al. (2016), doenças como malária, tuberculose, cólera, doença do sono africana, sarampo, pneumonia e outras doenças res- piratórias, bem como síndromes diarreicas, ainda são comuns nesses países. Outras doenças com altos índices de mortalidade também são preocupantes ao redor do mundo, como a gripe aviária ou suína, ou a febre hemorrágica do Ebola. Evidenciamos o clico de contaminação por meio das doenças de animais que podem ser transmitidas para os seres humanos e disseminadas rapidamente por uma população. Assim, os microrganismos ainda constituem graves ameaças à saúde humana em todas as partes do mundo. As bactérias são seres procariotos, microrganismos relativamente sim- ples e de uma única célula, podendo apresentar várias formas. São envoltas por uma parede celular que é praticamente composta por um complexo de carboidrato e proteína, chamado de peptideoglicano. As bactérias se reproduzem por divisão em duas células iguais; esse processo é chamado de fissão binária. Para a sua nutrição, a maioria das bactérias usa compostos orgânicos encontrados na natureza, derivados de organismos vivos ou mortos (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017) Os fungos são seres eucariotos, organismos cujas células possuem um núcleo distinto contendo o material genético celular (DNA), circundado por um envelope especial, denominado membrana nuclear. Segundo Tortora, Funke e Case (2017), os organismos do reino Fungi podem ser unicelulares ou multicelulares. Os cogumelos sãos grandes fungos multicelulares, que podem assemelhar-se a plantas, mas não conseguem realizar fotossíntese. Fungos verdadeiros têm paredes celulares compostas principalmente de uma substância denominada quitina. A forma unicelular dos fungos, a levedura, é composta de microrganismos ovais maiores do que as bactérias. Os fungos mais comuns são os bolores. Classificação dos microrganismos 4 48 MICROBIOLOGIA E PARASITOLOGIA CLÍNICA Os protozoários são micróbios unicelulares eucarióticos e se movimentam através de pseudópodes, flagelos ou cílios. As amebas movem-se através de extensões de seu citoplasma, chamadas de pseudópodes (pés falsos). Outros protozoários possuem longos flagelos ou numerosos apêndices curtos para a locomoção, chamados de cílios. Os protozoários apresentam uma variedade de formas e vivem como entidades de vida livre ou como parasitos absorvendo ou ingerindo compostos orgânicos do ambiente (TOR- TORA; FUNKE; CASE, 2017). Quantos genes uma célula possui? Sabe-se que este é um número bastante variável devido à quan- tidade de genomas que já foram sequenciados. O genoma do modelo bacteriano Escherichia coli possui um tamanho bastante característico; é um cromossomo circular único formado por 4.639.221 pares de bases de DNA agrupadas em 4.288 genes. Os genomas de alguns procariotos são três vezes este tamanho, enquanto os genomas de outros contêm quantidades tão pequenas quanto um vigésimo de muitos genes.