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Nutrição, cul-vo laboratorial, reprodução e crescimento dos micro-‐organismos Microbiologia I Josilene Matos Universidade Federal da Bahia Ins-tuto de Ciências da Saúde Departamento de Biointeração UFBA Condições necessárias para o cul-vo ü Fatores 1sicos: temperatura, pH e pressão osmó-ca. ü Fatores químicos: água, fontes de carbono, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, enxofre, fósforo e fatores orgânicos. ü Fatores metabólicos: enzimas e processos associados aos fatores Msicos e químicos. Nutrição microbiana “ Nutrientes: todos os materiais u0lizados pela célula para a construção e manutenção da sua estrutura e organização, inclusive como fonte de energia, quando esta é de natureza química.” Bier, O., Microbiologia e Imunologia, 24a. Ed., 1985. ü Nutrição bacteriana Degradação de macromoléculas por bactérias através da secreção de enzimas hidrolí-cas (hidrolases), proteases, lipases, etc. Nutrição microbiana ü Mecanismo que fornece às células as ferramentas químicas (nutrientes) necessárias à síntese de moléculas celulares e produção de energia. ü Importância da nutrição: • Torna possível a reprodução e crescimento bacteriano. Ø Ex: Protéinas estruturais, enzimas, mureína, LPS, polissacarídeos, ácido teicóico, ácidos nucléicos. Nutrição microbiana -‐ principais elementos ü Macronutrientes – Carbono • Forma o esqueleto dos carboidratos, lipídeos e proteínas. • Principais fontes Ø Autotróficos: u-lizam o CO2 como principal ou única fonte de carbono. Ø Heterotróficos: u-lizam compostos orgânicos como principal fonte de carbono (proteínas, carboidratos, lipídeos). Macronutrientes ü Nitrogênio • Proteínas, ácidos nucléicos, mureína, ácido teicóico. • Principais fontes (diversidade dependente da espécie bacteriana) Ø Nitrogênio atmosférico (N2 → NH4+) – fixação do nitrogênio Ø Obtenção a par-r de nitrato ou amônia Ø Nitrogênio orgânico (aminoácidos ou pepadeos – fatores de crescimento). Macronutrientes ü Enxofre • Síntese de aminoácidos (cisteína e me-onina) e vitaminas (-amina e bio-na). • Principais fontes: Ø Íon sulfato (SO42-‐)→ H2S Ø Sulfito de hidrogênio (H2S) Ø Aminoácidos que contêm enxofre na estrutura Macronutrientes ü Fósforo • Compostos orgânicos celulares -‐ ATP, NADP, LPS, fosfolipídeos da membrana celular e ácidos nucléicos. • Principais fontes: Ø Micro-‐organismo somente obtém na forma de fosfato inorgânico (PO4-‐3) ü Potássio, magnésio e cálcio são necessários como co-‐fatores para as reações enzimá-cas. Classificação dos micro-‐organismos quanto às fontes de energia e carbono Nutrição microbiana Oligo-‐elementos ou elementos-‐traços ü Elementos exigidos em quan-dades muito pequenas: • Ferro, cobre, zinco, cobalto, manganês. • Essenciais para a a-vidade de algumas enzimas. Fatores de crescimento ü Compostos orgânicos que alguns micro-‐ organismos necessitam: • Vitaminas, aminoácidos, purinas e pirimidinas ü Micro-‐organismos fasFdiosos • Bactérias lá-cas: Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus, etc. Cul-vo Laboratorial ü Meios de cultura • Material nutriente preparado no laboratório para o crescimento de micro-‐organismos (cultura). ü Aplicação • Isolamento e iden-ficação de micro-‐organismos Ø Meios quimicamente definidos Ø Meios complexos (indefinidos) • Composição química não definida Meio quimicamente definido Meio complexo Quando se u-liza meios quimicamente definidos? ü Para determinar as necessidades nutricionais de um determinado micro-‐organismo. ü Cepa prototrófica • Não requer qualquer suplemento orgânico para crescer ü Cepa auxotrófica • Necessita de suplementos orgânicos em um meio mínimo para se desenvolver. • Desenvolveu determinada necessidade nutricional em decorrência de uma mutação. Cul-vo de micro-‐organismos ü Cu l-vo de bac tér ias : me ios de cu l tura bacteriológicos. ü Cul-vo de fungos: meios de cultura para fungos. ü Cul-vo de vírus: ovo embrionado ou cultura de células. Cul-vo de bactérias ü Meios de cultura bacteriológicos • Caldo nutriente (líquido) Ø Extrato de carne Ø Peptona Ø Cloreto de sódio Ø Água • Para solidificar, acrescentar ágar Ø Semi-‐sólido (0,3-‐05%) Ø Sólido (1,5-‐2%) Meio líquido -‐ caldo BHI Meio sólido em tubo -‐ inclinado Meio sólido em placa de Petri Qual seria a vantagem dos meios sólidos? ü Imobilizam as células e permitem a formação de colônias • Caracterís-cas coloniais • Pureza de uma cultura Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Como cul-var bactérias intracelulares? ü Culturas de células • Cul-vos homogêneos que podem ser propagados e manipulados da mesma forma que as bactérias. • Clamídias, riquétsias e algumas espiroquetas são cul-vadas em culturas de células. Meios – finalidade bacteriológica Meios de cultura -‐ conservantes ü Finalidade bacteriológica: 1. Conservantes • Contém substâncias que inibem as enzimas autolí-cas e previnem os efeitos da oxidação • Transporte -‐ Stuart / Amies Meios de cultura -‐ sele-vos ü Finalidade bacteriológica: 2. SeleFvos • Permitem o crescimento de um -po par-cular de micro-‐organismo e suprimem o crescimento de outros. • Mac Conkey/EMB Microbelibrary.org (American Society of Microbiology) Meios de cultura ü Finalidade bacteriológica: 3. Não-‐seleFvos • Permitem o crescimento de ampla variedade de micro-‐organismos • Ágar sangue Meios de cultura ü Finalidade bacteriológica: 4. De enriquecimento • Aumentar o número de micro-‐organismos de interesse até níveis detectáveisem uma população mista. • Caldo de tetra-onato (Salmonella) Meios de cultura -‐ diferenciais ü Finalidade bacteriológica: 5. Diferenciais • Estabelecem diferenças entre micro-‐organismos de caracterís-cas parecidas • Ágar sangue/SS Meios de cultura -‐ indicadores ü Finalidade bacteriológica: 6. Indicadores • Possuem substâncias que evidenciam a u-lização de determinados substratos • Urease Meios de cultura -‐ redutores ü Finalidade bacteriológica: 7. Redutores • Agente redutor presente no meio remove o oxigênio para produzir o meio reduzido • Tioglicolato de sódio – combina quimicamente com o oxigênio dissolvido em um meio e torna-‐o não disponível para os micro-‐organismos Crescimento e reprodução microbianos Crescimento e reprodução ü Crescimento • Aumento no número de células ü Reprodução • Fissão binária (maioria) • Brotamento (micoplasmas, leveduras) 31 Tortora et al, Microbiologia, 2012 Proteínas importantes no processo de divisão celular em bactérias ü Proteínas homólogas às do citoesqueleto de células eucarió-cas: • MreB (homóloga à ac-na) – forma celular, segregação dos cromossomos e localização de proteínas. • FtsZ (homóloga à tubulina) – forma celular regulação da divisão celular e segregação cromossômica. Proteínas Fts Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Tempo de geração ü Tempo necessário para uma célula se dividir, ou para que a população duplique em número. ü Fatores que podem influenciar o tempo de geração: • Composição nutricional e as condições Msicas de incubação. Tempo de geração – são variados • Escherichia coli 20 -‐ 30 min • Lactobacillus spp 70 -‐ 85 min • Mycobacterium tuberculosis 18 -‐ 20 horas Tortora et al, Microbiologia, 2012 CRESCIMENTO BACTERIANO ⇒ N= 2n O aumento do número de células de uma cultura bacteriana em crescimento exponencial ocorre em progressão geométrica de quociente 2. Representação gráfica logarítmica x aritmé-ca Curva de crescimento ü É um gráfico que mostra a variação do número de células viáveis (capazes de se reproduzir) em função do tempo. ü Esta curva é traçada para uma população em um sistema fechado (tubo contendo meio de cultura). • Nenhum novo nutriente é adicionado ao sistema e nenhum produto de excreção metabólico é removido. Quais são as fases do crescimento microbiano? Tortora et al, Microbiologia, 2012 Métodos para quan-ficar diretamente o crescimento microbiano ü Contagem de colônias em placa • Método Pour-‐Plate (semeadura em profundidade) • Método de semeadura por espalhamento ü Filtração ü Contagem direta ao microscópio • Câmara Petroff-‐Hausser Diluição seriada– 30 A 300 colônias Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Contagem de colônias em placa Contagem de colônias em placa ü É a técnica mais u-lizada na determinação do tamanho de uma população bacteriana. ü Vantagem: • As células viáveis são quan-ficadas. ü Desvantagem: • Necessita tempo de incubação, em geral 24h. ü Deve-‐se u-lizar a diluição seriada. Contagem de bactérias pelo método de filtração Tortora et al, Microbiologia, 2012 Quando devemos filtrar? Contagem direta ao microscópio ü Câmara de Petroff-‐Hausser ü Vantagem: • Não necessita de período de incubação – resultado rápido. ü Desvantagens: • Existe dificuldade para a contagem de bactérias móveis • São quan-ficadas células viáveis e mortas. • Limite de resolução do microscópio Tortora et al, Microbiologia, 2012 Câmara de contagem Petroff-‐Hausser Métodos indiretos na determinação do número de bactérias ü Turbidimetria ü Peso seco ü principalmente para fungos filamentosos a) fungo é removido do meio por filtração b) seco em dessecador c) posterior pesagem Cultura conanua ü Man t e r um a p o p u l a ç ã o m i c r o b i a n a c r e s c e n d o con-nuamente em uma taxa par-cular, na fase logarítmica ü Quimiostato Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Efeitos ambientais no crescimento microbiano ü Fatores Msicos • Temperatura • pH • Pressão osmó-ca • Atmosfera gasosa (reposta ao oxigênio) Efeitos ambientais -‐ Temperatura Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Por que logo acima da temperatura ó-ma, o crescimento cai drama-camente? Curva de crescimento x variação na temperatura Curva de crescimento caracterís-ca de diferentes micro-‐organimos Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Crescimento de hipertermófilos Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 pH – acidez ou alcalinidade? ü Maioria dos micro-‐organismos cresce melhor perto da neutralidade (pH 6,5 – 7,5); ü Maioria das Bactérias: faixa entre pH 7,0 (neutroMlicos). ü Exceções: • Bactérias acidófilas: alto grau de tolerância à acidez (Thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ó-mo entre 2 e 3,5). • Bactérias alcaliMlicas: (Bacillus e Archaea) (pH 10 – 11). Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Efeitos ambientais – pressão osmó-ca ü Pressão osmó-ca Tortora et al, Microbiologia, 2012 Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Concentração de sal Halotolerantes: não necessitam de sal mas toleram a presença no meio. Halófilos: necessitam de sal em uma concentraçãomoderada. Halófilos extremos: necessitam de sal em altas concentrações. Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 59 Halo1licos extremos Classificação de acordo com a atmosfera de cul-vo ü Aeróbios obrigatórios: 21% de oxigênio. ü Anaeróbios obrigatórios: não podem crescer em presença do oxigênio. ü Anaeróbios FacultaFvos: podem crescer na presença do oxigênio ou em anaerobiose. ü Microaerófilos: oxigênio de 1 a 15%. ü Anaeróbios aerotolerantes: anaeróbios que não morrem com a exposição ao oxigênio. U-lização de oxigênio AERÓBIO ESTRITOS alta [O2] catalase SOD ANAERÓBIO ESTRITO sem O2 ausência: catalase SOD MICRO AERÓFILO baixa [O2] AERÓBIO FACULTATIVO alta e baixa [O2] catalase SOD alta e baixa [O2] SOD ANAERÓBIO AEROTOLERANTES Catalase e a s u p e r ó x i d o d i s m u t a s e reduzem para H 2 O o s c o m p o s t o s tóxicos. Efeito do oxigênio sobre o crescimento de vários Fpos de bactérias. Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Influência do oxigênio ü Anaeróbios • Não u-lizam Oxigênio para as reações de produção de energia, podendo ser mortos por ele. Ø Methanobacterium – anaeróbio estrito Ø Anaeróbio aerotolerante – Lactobacillus Ø Anaeróbio faculta-vo – Escherichia coli Ø Microaerófilo – Campylobacter jejuni Ø Aeróbio – Micococcus luteus Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Por que o O2 é tóxico para os anaeróbios? Enzimas que ina-vam o O2 tóxico ü Superóxido dismutase • Elimina os radicais superóxido, convertendo-‐os em peróxido de hidrogênio Madigan et al, Microbiologia de Brock, 2010 Incubação de anaeróbios ü Métodos de produção de ambiente anaeróbio Tortora et al, Microbiologia, 2012 Incubação ü Métodos de produção de ambiente anaeróbio Injeção de N2, H2 e CO2 Tortora et al, Microbiologia, 2012 67
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