Citologia Microbiana: Descobertas e Características

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Citologia Microbiana 
Fernanda Abreu 
fernandaaabreu@micro.ufrj.br 
Farmácia Noturno 2013 
1. Descoberta dos micro-organismos: 
- Robert Hooke: microscópio e observação de bolores 
(1655) 
Microscópio de Robert Hooke 
Introdução 
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2. Descoberta de bactérias: 
- Antoni van Leeuwenhoek em 1676 
Microscópio de Robert Hooke 
Introdução 
Pequenos animálculos 
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2. Descoberta de bactérias: 
• Ferdinand Cohn (fundador da Bacteriologia) 
- Botânico 
- Interesse na resistência térmica de bactérias: descrição do ciclo 
de vida de Bacillus 
- Bactéria filamentosa Beggiatoa mirabilis 
- Introdução do sistema de classificação 
bacteriana 
 
Introdução 
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2. Descoberta de bactérias: 
- O que motivou novas descobertas na Microbiologia? 
- Questionamento a respeito da geração espontânea; 
- Questionamento a respeito da natureza das infecções. 
Louis Pasteur Robert Koch 
Introdução 
3. Desenvolvimento da Microbiologia 
• Desenvolvimento de técnicas e inúmeras 
descobertas: subdisciplinas da ciência básica da 
microbiologia (sistemática, fisiologia, bioquímica, 
genética, virologia, citologia microbiana...) 
Introdução 
Madigan et al, 2010 (12º Ed) 
Citologia Microbiana 
• Bacteria / Archaea 
• Eukarya 
Madigan et al, 2010 (12º Ed) 
Bactérias e Arqueas 
1. Morfologia celular 
Morfologia comuns 
coco 
bacilo 
espirilo 
espiroqueta 
hifa 
pedúnculo 
filamentosas 
Bactérias com brotamento 
 e apendiculadas 
Arranjos de células 
(geralmente específicos para gêneros) 
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Bactérias e Arqueas 
1. Morfologia celular 
Outras formas 
 
Stella 
Corpos de frutificação de mixobactérias 
Candidatus 
Magnetoglobus multicellularis 
Bactérias e Arqueas 
1. Morfologia celular 
Alguns grupos são imediatamente 
reconhecidos pela morfologia celular 
Ex.: espiroquetas 
 
 
 
Ex.Caso clínico: Streptococcus 
No entanto, geralmente, é impossível prever propriedades das células procarióticas 
tendo como base somente a morfologia celular 
Bactérias e Arqueas 
1. Morfologia celular 
Determinação na morfologia celular 
 
• Parede celular: confere forma e rigidez a célula 
• Citoesqueleto: MreB e crescentina 
Bactérias e Arqueas 
2. Tamanho celular e implicações 
 Há grande variação no tamanho das 
células 
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Bactérias e Arqueas 
2. Tamanho celular e implicações 
 Maior procarioto conhecido 
 
Madigan et al, 2010 (12º Ed) 
• Thiomargarita 
 
– Ambientes aquáticos 
ricos em H2S 
– Não cultivada 
– Presença de glóbulos 
de enxofre 
Bactérias e Arqueas 
2. Tamanho celular e implicações 
 O que faz com que a célula seja tão 
grande? 
 - Restrições na capacidade de captação de nutrientes; 
Em geral, células menores crescem mais 
rapidamente que maiores: maior troca de 
nutrientes por unidade de volume celular. 
Maior taxa de mutações e vantagem adaptativa. 
Bactérias e Arqueas 
2. Tamanho celular e implicações 
 Limites para tamanho da célula 
 
 Mínimo: todos os componentes necessários a 
sobrevivência e divisão devem estar presentes na 
célula, biomoléculas essenciais. 
 
 Máximo: limitada taxa de troca de nutrientes 
com ambiente 
Bactérias e Arqueas 
3. Membrana citoplasmática 
 
- Definição: estrutura delgada que envolve a célula 
que separa o interior da célula de seu ambiente. 
- Definição: barreira de permeabilidade seletiva que 
permite a concentração de metabólitos específicos e 
excreção de dejetos. 
- Conclusão: barreira física e de permeabilidade. 
Bactérias e Arqueas 
3.1. Composição da membrana: bicamada 
fosfolipídica 
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Bactérias e Arqueas 
3.1. Composição da membrana: porção lipídica 
 
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Tipos de lipídeos: 
 
- Glirecolipídeos 
-Fosfolipídeos (estrutura básica 
da membrana); e outros 
 
- Glicolipídeos 
-Glicoglicerolipídeo (mais 
abundantes – glicerolípídeos com 
unidades de açúcar); 
-Glicoesfingolípídeos (não tem 
glicerol, mas bases nitrogenadas 
de cadeia longa tipo esfingosina). 
-Hopanoides 
 
 
Bactérias e Arqueas 
3.1. Composição da membrana: 
 Estabilização da membrana 
 Pontes de H, interações hidrofóbicas, Mg2+ e Ca2+ 
(interações iônicas com a carga negativa dos 
fosfolipídeos). 
 Fluidez da membrana 
 Relativamente fluida 
 
Bactérias e Arqueas 
3.1. Lipídeos da membrana arqueas: 
 - Diferem dos encontrados em Bacteria e Eukarya; 
 
Bactérias e Arqueas 
3.1. Lipídeos da membrana arqueas: 
 - Não possuem ácidos graxos unidos por ligação éster ao 
glicerol; 
 - Cadeias hidrofóbicas: unidades repetidas do hidrocarboneto 
de 5 carbonos isopreno; ligação éter com glicerol. 
20 carbonos 
Bactérias e Arqueas 
3.1. Lipídeos da membrana 
arqueas: 
 - Arquitetura da membrana de 
arqueas 
Monocamada: resistente a separação. Ex.: hipertermófilas 
Bactérias e Arqueas 
3.2. Composição da membrana: 
porção proteica 
 - Proteínas de membrana: 
porções hidrofóbicas e hidrofílicas 
 - Proteínas integrais: firmemente 
embebidas na membrana 
 - Proteínas periféricas: não estão 
embebidas, mas associadas às 
superfícies da membrana. Ex.: 
lipoproteínas. Geralmente interagem 
com proteínas integrais de membrana. 
 - Organização em segmentos: 
agrupadas de acordo com sua interação 
ou função celular 
Bactérias e Arqueas 
3.3. Composição da membrana: carboidratos 
 
- Até 1970: glicosilação era considerado 
processo exclusivo de eucariotos; 
- Membrana: 
- Glicoproteínas 
- Glicolipídeos 
Bactérias e Arqueas 
3.4. Funções da membrana celular 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da membrana 
A. Difusão: pequenas moléculas hidrofóbicas 
Exceção: H2O: capaz de penetrar livremente 
 aquaporinas: aceleram o processo 
Difusão facilitada 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte 
através da membrana 
- Pq a necessidade de 
transportadores? 
Vida: Acúmulo de solutos 
contra gradiente de 
concentração 
- Propriedades das ptns 
transportadoras: 
- Efeito de saturação 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da 
membrana 
- Propriedades das ptns transportadoras: 
- Alta especificidade: única molécula ou classe 
de moléculas (açúcares ou aa) 
- Regulação de sua biossíntese pela célula: em 
função tipo e concentração de nutrientes. 
Ex.: determinado nutriente em concentração 
muito baixa, necessita de transportador de 
maior afinidade. 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Transporte através da 
membrana 
- Proteínas 
transmembrana: 
• Possuem 12 domínios α-hélice 
que dobram-se através da 
membrana, formando um 
canal; 
• O evento de transporte 
envolve alteração 
conformacional da proteína 
transportadora após sua 
ligação ao soluto. 
 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da membrana 
- portador 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de 
transporte através 
da membrana 
 Estrutura e 
função das ptns 
transportadoras 
Ptn transmembrana 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da membranaEscherichia coli 
B. Transporte simples: 
Energia próton motiva 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da membrana 
Escherichia coli 
C. Translocação de grupo: Sistema fosfotransferase 
-Glicose, manose ou frutose 
-Substancia transportada é quimicamente modificada 
-Fosforilações e desfosforilações em cascata até o transportador real, que fosforila o açúcar 
transportado 
Bactérias e Arqueas 
3.5. Tipos de transporte através da membrana 
D.Proteínas periplasmáticas de ligação e sistema ABC 
Escherichia coli 
Transporte com a participação 
de: 
-Proteínas periplasmáticas de 
ligação; 
- Transportadora de membrana; 
- Proteínas que hidrolisam ATP. 
 
ABC: ATP-binding-cassete: 
cassete de ligação ATP 
 
Transporte de: açúcares, aa, 
sulfato, fosfato e metais traços. 
 
Em bactérias Gram-positivas: 
proteínas de ligação ao substrato 
estão ancoradas à superfície 
externa da membrana 
citoplasmática. 
 
Bactérias e Arqueas 
3.6. Secreção em procariotos 
Translocases: proteínas responsáveis pela exportação e inserção 
de outras proteínas na membrana citoplasmática procariótica. 
Ex.: Sistema translocase Sec: enzimas hidrolíticas 
 Sistema de secreção do tipo III: secreção de toxinas por 
bactérias patogênicas 
Bactérias e Arqueas 
4. Membranas internas 
- Formadas por invaginação da membrana celular 
- Possuem funções específicas envolvidas na geração de ATP 
- Ex.: 
- Bactérias Nitrificantes: amônia monooxigenase – oxidação da amônia 
- Bactérias Fotossintéticas: bacterioclorofilas e outros pigmentos 
Bactérias e Arqueas 
5. Citoplasma 
 
- Contém: proteínas, nucleóide, ribossomos, 
pequenas moléculas orgânicas (aa, açúcares, 
vitaminas, coenzimas,...). 
- Possui alta concentração de solutos: gera 
pressão de 2 atm – equivalente a pressão de 
pneu de automóvel. 
 
Bactérias 
5. Citoplasma 
 
- “Organelas”: estruturas com funções específicas 
- Clorossomos: estruturas que captam luz para fotossíntese em 
bactérias verdes sulfurosas e não sulfurosas. 
- Anamoxossomos: estrutura onde ocorre a oxidação da amônia; 
- Carboxissomos: estruturas poliédricas que contém a enzima 
ribulose-bisfosfato carboxilase oxigenase (RuBisCO); onde ocorre a fixação de 
Carbono; 
- Magnetossomos: estrutura formada por cristal magnético envolto 
por membrana. 
Bactérias e Arqueas 
6. Inclusões celulares: 
 
- Atuam no armazenamento de energia ou reservatório 
de outro constituinte; 
- Vantagem do armazenamento de substâncias em 
forma insolúvel: redução do estresse osmótico que 
existiria se a substância fosse armazenada na forma 
solúvel. 
- Exemplos de inclusões: 
- Polímeros de armazenamento de carbono; 
- Polifosfato e enxofre; 
- Inclusões magnéticas (magnetossomos). 
 
 
Bactérias e Arqueas 
6. Inclusões celulares: 
Polímeros de armazenamento de 
carbono: 
 
- Poliidroxialcanoatos são inclusões 
lipídicas comuns em bacterias; 
 
- Grânulos de glicogênio: forma 
comum de reserva de 
polissacarídeos; 
 
- Sintetizadas quando há excesso de 
carbono; 
 
-Utilizados como fonte de carbono e 
energia em condições de escassez. 
 
 
Bactérias e Arqueas 
6. Inclusões celulares: 
Polifosfato e enxofre: 
 
- Polifosfato: grânulos de fosfato 
inorgânico PO4
2-. São utilizados como 
fonte de fosfato para síntese de 
ácidos nucleicos e lipídeos e também 
na produção de ATP. 
 
- Enxofre: produzidos durante a 
oxidação de H2S; utilizados na 
ausência de H2S, em que são oxidados 
a sulfato. São periplasmáticos e não 
citoplasmáticos. 
 
 
 
Bactérias e Arqueas 
6. Inclusões celulares: 
Inclusões magnéticas (magnetossomos): 
 
 
Bactérias e Arqueas 
6. Vesículas de gás: 
- Procariotos planctônicos 
possuem vesículas de gás que 
possibilitam a flutuação. 
- Função: posicionamento na 
coluna d’água em resposta a 
fatores ambientais. 
- Presentes em bactérias e 
arqueas. 
- Membrana da vesícula 
formada por proteínas (GvpA 
e GVpC): rigidez e 
impermeabilidade a água e 
solutos. 
Bactérias e Arqueas 
7. Parede celular 
- Confere forma e rigidez a célula: impede lise 
devido a pressão interna; 
- Diferenças estruturais são utilizadas nas 
reações de coloração e classificação das 
bactérias; 
- Gram-positivas e Gram-negativas 
Bactérias 
7. Parede celular 
Multicamadas e complexa Espessa e predomínio de único tipo de molécula 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- peptidoglicano: camada 
rígida de 
polissacarídeo 
composto por dois 
derivados de açúcares, 
N-acetilglicosamina e 
ácido N-
acetilmurâmico, unidos 
por ligação glicosídica 
β – 1,4. 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- peptidoglicano: 
• Formado também por 
alguns aa (L-alanina, D-
alanina, ácido D-
glutâmico e lisina ou 
ácido diaminopimélico, 
que associam-se ao 
polissacarídeo, 
formando o 
tetrapeptídeo glicano. 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- peptidoglicano: 
• Ligação β(1,4): 
estabilidade em 
apenas 1 eixo. 
• Ligações cruzadas são 
necessárias para 
garantir rigidez na 
direção X e Y. 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- Ligações cruzadas: 
• Interligam as cadeias de polissacarídeos; 
• Ocorrem em graus diferentes nas espécies de 
bactérias; 
• Quanto maior o número de ligações cruzadas, maior 
a rigidez; 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- Ligações cruzadas: 
 
Gram-negativas: 
Grupo amino do DAP de uma 
cadeia + grupo carboxil da D-
alanina de outra cadeia. 
Gram-positivas: 
Ponte interpeptídica: natureza e 
número de aminoácidos da 
ponte variáveis. 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
 
- peptidoglicano: 
 
Apresentam grande diversidade (+ de 100 tipos em 2009). 
 
Diversidade relacionada a química das ligações cruzadas e 
pontes interpeptídicas. 
 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias Gram-positivas: 
- 90% da parede formada por peptidoglicana; 
- Possuem até 25 camadas interconectadas; 
- Possuem ácidos teicoidos; 
- Possuem ácido lipoteicoico; 
- Possuem Proteínas associadas a parede. 
 
 
 
Ácidos teicoicos: são todos os 
polímeros de parede celular, de 
membrana citoplasmática ou 
capsulares que contêm resíduos 
de glicerol-fosfato ou ribitol 
fosfato. 
Bactérias e Arqueas 
7. Parede celular 
- Lisozima e 
protoplastos: 
- Lisozima: Enzima que cliva as 
ligações glicosídicas β -1,4, 
enfraquecendo a parede. 
- Protoplasto 
- Esferoplasto 
 
 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias que não possuem parede celular 
 
- Micoplasmas: bactérias patogênicas; possuem esteróis na 
membrana citoplasmática, o que a deixa rígida . 
- Thermoplasma: arquea (lipídeos diéter e tetraéter) 
 
 
 
 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias Gram-negativas: 
- 10% da parede formada por peptidoglicano; 
- Possuem periplasma 
- Possuem membrana externa; 
 
 
 
 
 
 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias Gram-negativas: Membrana externa 
 
 
 
 
 
 
 
 
-Formada por lipopolissacarídeos 
(LPS); e fosfolipídeo em uma 
camada; 
-Camada interna possui 
lipotroteínas que ligam a 
membrana externa ao 
peptidoglicano 
-Composição variada dependendo 
da espécie; 
-Componentes do LPS: 
polissacarídeo O, p. cerne, lipídeo 
A; 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias Gram-negativas: Membrana externa 
- Impede a difusão de proteínas localizadas externamente a membrana 
citoplasmática; 
- É tóxica aos animais; 
- Propriedades tóxicas relacionadas a porção do lipídeo A: endotoxina; 
- Relacionada aos sintomas de infecções por patógenos (Salmonella,Shigella e Escherichia, ...; gases, diarreia e vômito,...); 
- ME é relativamente permeável a moléculas pequenas: porinas 
- Porinas: canais que permitem a entrada e saída de substâncias hidrofílicas 
de baixa massa molecular; 
- Porinas: 
- Inespecíficas: canais preenchidos por água 
- Específicas: possui sítio de ligação para substâncias 
estruturalmente relacionadas 
 
 
 
 
 
Associação de 3 subunidades idênticas 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Bactérias Gram-negativas: Periplasma 
 - É o espaço situado entre a superfície externa da membrana 
citoplasmática e a superfície interna da membrana externa; 
 - Contém alta concentração de diversas proteínas (quimiotaxia, 
transporte, ptns hidrolíticas...), resultando em uma consistência 
semelhante a gel. 
 
 
 
 
 
 
Bactérias 
7. Parede celular 
- Micobactérias 
 - Gênero de actinobactérias patogênicas. Ex.: Mycobacterium 
tuberculosis. 
 - Parede formada por 3 tipos de moléculas interligadas: 
 - peptidoglicano 
 - arabinogalactana 
 - ácido micólico (60%) 
- Coram mal por Gram 
- Técnica de Ziehl-Neelsen: 
- técnica de coloração 
para bactérias álcool-ácido resistentes. 
 
 
 
Arqueas 
7. Parede celular 
- Arqueas: 
- Não possuem 
peptidoglicano; 
- Não possuem 
membrana externa; 
- Algumas possuem 
pseudomureína 
 
 
 
 
 
 
Methanobacterium 
Arqueas 
7. Parede celular 
- Arqueas: 
- Algumas possuem 
outros 
polissacarídeos 
 
 
 
 
 
 
Carregado 
negativamente: ligação 
a íons Na+ do 
ambiente, o que 
resulta na estabilização 
da parede. 
Halococcus 
Arqueas 
7. Parede celular 
- Arqueas: 
- Camada S: tipo mais comum 
de parede em arqueas; 
- Também chamada de camada 
superficial paracristalina; 
- Formada por proteínas ou 
glicoproteínas que 
apresentam aspecto 
ordenado quando observadas 
ao TEM; 
- Também presente em 
bactérias; 
- Corresponde sempre a 
camada mais externa; 
- Funções: rigidez para evitar 
ruptura osmótica; barreira 
seletiva (passagem de 
substância de baixa massa 
molecular- ex.: evitar vírus no 
ambiente); retenção de 
proteínas próximo à 
superfície celular. 
 
 
 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de superfície 
 
 - Camadas da superfície; 
 - Pili e fímbrias; 
 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de 
superfície: 
 - Camadas da superfície: 
formados por polissacarídeos e 
proteínas secretados pela célula. 
 - Cápsula: camada formada por 
composto em matriz compacta que 
exclui pequenas partículas como tinta 
nanquim. 
 - Camada limosa: camada não tão 
compacta, facilmente deformável, 
frouxamente ligada a superfície da 
célula. 
 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de superfície: 
 
 
 Funções das camadas de superfície : 
 - Adesão a superfícies sólidas; 
 - Inibição do reconhecimento e destruição da célula bacteriana 
pelas células fagocitárias do sistema imune; 
 - Resistência a dessecação. 
 
 
 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de superfície: 
 - Pili e fímbrias: são estruturas filamentosas proteicas que são 
projetadas a partir da superfície da célula. 
 - Fímbrias são mais curtas e estão presentes na célula em elevado 
número; os pili são semelhantes às fímbrias, porém mais longos e 
presentes em menor número (uma ou poucas cópias). 
 
 
 
 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de superfície: 
 - Funções: 
 - Fímbrias: adesão 
 - Pili: adesão, troca genética entre células na conjugação, 
motilidade celular (motilidade pulsante), secreção. 
 
 
 
 
Pilus T de Agrobacterium tumefaciens 
Pilus P de E.coli 
Bactérias e Arqueas 
8. Outras estruturas de superfície 
- Prosteca ou pedúnculo: 
- São extensões verdadeiras da célula, contendo citoplasma, 
peptidoglicano e membrana celular. 
Funções: 
-Adesão, 
agrupamento; 
 
-Melhor aquisição 
de absorção de 
nutrientes. 
 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- Células diferenciadas de resistência produzidas 
durante o processo de esporulação. 
- Resistência: calor, dessecamento, carência 
nutricional, radiação... 
 
 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- Forma de dispersão de algumas bactérias; 
- Bacillus e Clostridium; 
 
 * 
Sinal ambiental: célula cessa o crescimento Refringência do esporo 
esporo ativação 
germinação extrusão 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- Estrutura: 
Apresenta camadas que não são 
observadas na célula vegetativa: 
 
• Exospório 
 
• Capa do esporo 
 
• Parede do cerne 
 
• Córtex (peptidoglicano com 
ligaçãoes cruzadas frouxas) 
 
• Cerne (membrana 
citoplasmática, citoplasma, 
ribossomos, nucleóide, e outros 
constituintes celulares). 
 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- Cerne: 
- Rico em acido dipicolínico (DPA)e Ca2+ 
- Complexo (DPA) e Ca2+ representa 10% do peso seco do esporo. 
- Função do complexo: 
- redução da disponibilidade de água (aumento da termo-
resistência, maior resistência a agentes químicos como H2O2 e 
inativação de enzimas); 
- estabilização do DNA contra desnaturação térmica (intercala-se 
entre as bases). 
 
 
DPA 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- Cerne: 
- Rico em pequenas proteínas ácido-solúveis (PPASs); 
- PPASs: 
- São sintetizadas durante o processo de esporulação 
- Funções: 
- Ligam-se ao DNA do cerne, compactando-o e protegendo-o 
contra danos causados pela radiação U.V., dessecamento e 
calor seco; 
- Atuam como fonte de carbono e energia na extrusão de uma 
nova célula vegetativa a partir do endósporo em germinação. 
 
 
Bactérias 
9. Endosporos: 
- O processo de 
esporulação: 
 
- Série de eventos 
de diferenciação 
celular 
 
- Ex.: Bacillus 
subtilis 
(8 horas) 
 
 
Estágio 0: Célula vegetativa 
Compactação do DNA 
Estágio 1 
Divisão celular assimétrica 
Estágio 2 
Septo do endósporo 
cresce ao redor do 
protoplasto 
Formação do pré-esporo Estágio 3 
Bactérias 
9. Endosporos: 
 
 
Estágio 3 
Estágio 4 
Estágio 5 
Estágio 6 
Síntese do exospório e córtex 
Desidratação 
Incorporação de Ca2+ 
Desidratação 
Produção de DAP e PPAS 
Formação da capa 
Maturação 
Lise celular 
Estágio 7 
Endósporo livre 
Bactérias e Arqueas 
Momento Jurassic Park 
• Por quanto tempo um endósporo pode 
sobreviver? 
– Amostra de 25-40 milhões de anos. Endósporo do 
intestino da abelha extinta. 
Conclusão dos trabalhos: Acredita-se que 
os endósporos podem durar milhões de 
anos.