MICROBIOLOGIA - Genoma Bacteriano

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Arlindo Ugulino Netto – MICROBIOLOGIA – MEDICINA P3 – 2008.2
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FAMENE
NETTO, Arlindo Ugulino.
MICROBIOLOGIA
GENOMA BACTERIANO – MECANISMO GENTICOS DA RESIST‚NCIA 
(Professora Socorro Vieira)
Para se discutir os mecanismos genƒticos da 
resist„ncia antimicrobiana, deve-se antes conhecer o genoma 
bacteriano, uma vez que a multiresistência de uma bactéria está 
ligado à genes cromossomais da mesma. O genoma representa o 
conjunto do material genético que uma célula apresenta.
A organização genômica das bactérias é dinâmica e 
composta por diferentes modalidades de moléculas de DNA: 
cromossomo, plasmídios, transposons e bacteriófagos. O 
cromossomo bacteriano contém todos os genes requeridos para o 
metabolismo e ciclo vital da bactéria. Plasmídios, transposons e 
bacteriófagos são entidades moleculares independentes que 
ocorrem indistintamente em diferentes grupos bacterianos e que 
funcionam como elementos genéticos acessórios. Os genes que 
transportam não são essenciais à sobrevivência da bactéria, mas 
podem condicionar características tais como fatores de virulência, 
resistência a agentes antimicrobianos, bacteriocinas, toxinas, 
fixação de nitrogênio e utilização de fontes não usuais de carbono. 
Tais características adicionais podem ter importância adaptativa 
em determinadas situações. Todo material genético de uma 
bactéria, seja constitutivo ou acessório, está em contato direto com 
o citoplasma. Em processos de divisão (a cada 20 minutos), uma 
bactéria copia totalmente seus genes para a nova bactéria, o que 
explica a dificuldade de se controlar processos infecciosos.
Cromossomos e plasmídios constituem replicons, ou seja, unidades moleculares capazes de replicação 
autônoma. Transposons e bacteriófagos não são capazes de replicação autônoma e precisam estar inseridos em um 
replicon para se duplicarem.
A figura acima mostra um mapa gênico de uma célula procariótica. A célula bacteriana tem cerca de 2400 genes 
codificantes de proteínas necessárias para sua sobrevivência.
CLULA PROCARI‚TICA X CLULA EUCARI‚TICA
Enquanto a célula eucariótica apresenta todo seu genoma organizado e compartimentalizado por um núcleo
(lembrando, é claro, do material genético mitocondrial), o cromossomo bacteriano existe na forma de uma molécula 
circular única de DNA de cadeia dupla, altamente enovelada e livre no citoplasma.
Cƒlulas Procari…ticas Cƒlulas Eucari…ticas
1. Contém apenas um cromossomo (único e circular)
2. Consiste de uma única molécula de DNA de fita 
dupla na forma circular 
3. Não possui membrana nuclear: o cromossomo se 
localiza em uma região denominada nucleóide (em 
que o cromossomo se associa a proteínas).
4. É enrolado, espiralado e de forma altamente 
compacta - é cerca de 1200 vezes maior que o 
tamanho da célula 
5. É rara a presença íntrons
1. Há mais do que um cromossomo por célula 
2. Cada cromossomo consiste em uma única 
molécula longa de DNA de fita dupla enrolado em 
agregados de proteínas histonas em intervalos 
regulares 
3. Possui membrana nuclear 
4. Apresenta forma linear, e a molécula de DNA é 
cerca de 10 vezes mais longa 
5. Presença marcante de íntrons
6. Mitocôndrias e cloroplastos apresentam material 
genético.
Além do cromossomo uma célula bacteriana pode conter uma ou mais estrutura de DNA chamados plasmídeos -
moléculas de DNA de fita dupla menores que os cromossomos e que podem replicar-se independentemente destes.
Outra diferença é o cromossomo da célula eucariótica, que é predominantemente constituído por íntons 
(sequencias não codificadoras) do que por éxons (sequencia codificadora). Já o cromossomo bacteriano apresenta uma 
grande maioria de exons em relação aos introns (que são quase raros).
As bactérias, como já foi dito e será discutido, possuem, além do seu cromossomo único e circular imerso no 
citoplasma, os seguintes elementos: plasmídeos, vírus e transposons.
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PROCARIOTOS
O Reino Monera reúne os organismos procariontes, unicelulares, coloniais ou não, de vida livre ou parasita, 
autótrofos (fotossintetizantes ou quimiossintetizantes) ou heterotróficos que se alimentam por absorção.
Mesmo possuindo uma estrutura e organização celular rudimentar, uma tendência evolutiva desde o primórdio 
dos seres vivos, essas demonstram um grande potencial biológico, coexistindo em todos os tipos de ambientes, seja 
terrestre, aéreo ou aquático. 
Esse Reino compreende as bactérias e algas azuis (atualmente denominadas de cianobactérias). Devido à 
contribuição da Biologia molecular esse Reino passou a ser classificado em dois sub-reinos de organismos procarióticos 
bem diferentes: Eubactérias e Arqueas (Archaeobactérias).
As arqueobactérias são muito semelhantes às eubactérias e só foram diferenciadas destas há poucas décadas, 
graças ao desenvolvimento das técnicas de análise molecular. Uma dirença importante entre arqueas e bactérias é 
quanto a constituição química da parede célular. As arqueas não apresentam, em sua parede celular, o peptidoglicano, 
constituinte típico das bactérias. As arqueobactérias podem ser dos seguintes tipos:
 Arqueobactérias metanogênicas
 Termófilas extremas: vivem em condições extremas de temperatura (600ºC)
 Halófilas extremas: vivem em condições extremas de salinidade (NaCl a 25%).
PLASMƒDIOS
São moléculas extracromossomais circulares de DNA autoreplicativo encontradas em muitas espécies 
bacterianas e em algumas espécies de eucariotos (ex: o anel de 2-micra em Saccharomyces cereviesiae). São 
geralmente moléculas de DNA de fita dupla em forma de círculos fechados e passam às células-filha durante a divisão 
celular. Quando o plasmídio está integrado ao cromossomo, recebe outro nome: epíssomo.
OBS1: Os epissomas são plasmídeos que conseguem se integrar no DNA cromossómico do hospedeiro Por esta razão, 
podem permanecer intactos durante muito tempo, ser duplicados em cada divisão celular do hospedeiro, e transformar-
se numa parte básica da sua constituição genética.
A maioria das bactérias conhecidas transporta um ou mais tipos de plasmídios. Os genes que transportam não 
são essenciais à sobrevivência da bactéria, mas podem condicionar características adicionais tais como fatores de 
virulência, resistência a agentes antimicrobianos, bacteriocinas, toxinas, fixação de nitrogênio e utilização de fontes não 
usuais de carbono. Muitas das características condicionadas por genes plasmidianos contribuem para a adaptabilidade 
da bactéria em condições especiais. As bactérias não constroem seus próprios plasmídios, mas os adquirem através do 
fenômeno da conjugação bacteriana, na qual uma bactéria transportando um plasmídio o transfere para uma outra 
bactéria, mantendo para si uma cópia deste.
REPLICAÇÃO DO PLASMÍDIO
A replicação dos plasmídeos pode ser de dois tipos: por replicação de entidades independentes ou por
replicação de epíssomo integrado.
A replicação do plasmídeo também pode ocorrer em dois momentos: (1) quando a célula bacteriana se divide, o 
DNA plasmidal também se divide, assegurando que cada célula filha receba uma cópia deste; (2) durante o processo de 
conjugação, a molécula de DNA replicada pode entrar na célula receptora.
TIPOS DE PLASMÍDIO
Existem dois grupos básicos de plasmídeos: os conjuntivos e os não-conjuntivos. Os plasmídeos conjuntivos
contém um gene chamado tra-gene, que pode iniciar a conjugação, isto é, a troca sexual de plasmídeos com outra 
bactéria. Os plasmídeos não-conjuntivos são incapazes de iniciar a conjugação e, por esse motivo, o seu movimento 
para outra bactéria, mas podem ser transferidos com plasmídeos conjuntivos durante a conjugação.
 Plasmídeos de Fertilidade (F): contém apenas tra-genes. A sua única função é a iniciação da conjugação 
bacteriana. A bactéria que apresenta o plasmídio F (chamada de F+ ou macho) tem a capacidadede produzir 
fímbrias associadas na reprodução sexuada com outras bactérias. A bactéria receptora é denominada F-.
 Plasmídeos de Resistência (R): contém genes que os tornam resistentes a antibióticos ou venenos, ou seja, é 
responsável pela resistência da bactéria a antimicrobianos.
 Plasmídeos Col: contém plasmídeos que codificam (determinam a produção de) colicinas, proteínas que podem 
matar outras bactérias, inibindo o crescimento de outras células que não possuem esse plasmídio.
 Plasmídeos Degradativos: permitem a digestão de substâncias pouco habituais, como o toluole ou o ácido 
salicílico, ou até mesmo derivados do petróleo (sendo usados para limpar poluições causadas por vasamento 
destes produtos).
 Plasmídeos de Virulência: transformam a bactéria num agente patogénico, estando associado então, a 
patogenicidade da bactéria. Como por exemplo o plasmídeo Ti, da bactéria Agrobacterium tumefaciens, que é 
usado atualmente na genética para a produção de plantas transgênicas.
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TRANSPOSONS
Transposons s€o fragmentos de DNA linear. Os transposons s€o elementos 
genticos m‚veis capazes de se inserirem em diferentes pontos do cromossomo 
bacteriano. Ap‚s inserir-se em um determinado sƒtio do cromossomo, o transposon 
pode deixar uma c‚pia neste sƒtio e inserir-se em outro ponto do cromossomo, um 
fen„meno denominado transposi…€o. 
A transposi…€o ocorre devido † presen…a, no transposon, de seq‡ˆncias especƒficas de DNA denominadas 
seq‡ˆncias de inser…€o (IS). As IS s€o pequenas sequˆncias de DNA que codificam a enzima transposase, respons‰vel 
pela transposi…€o. Quando o transposon se liga ao cromossomo da bactria, isso a confere uma maior mutagenicidade 
(por induzir muta…Šes) bem como o isolamento de parte de seu material gentico (“DNA egoƒsta”). 
Os transposons codificam uma ou mais proteƒnas que conferem caracterƒsticas como resistˆncia a drogas 
antimicrobianas, enterotoxinas e enzimas degradativas. Os transposons possuem genes de resistˆncias, como por 
exemplo, a TN1AMP (resistente † ampicilina).
RECOMBINA„…O: TRANSFER†NCIA G†NICA BACTERIANA
A maioria das bactrias possui uma nica cadeia de DNA circular. As bactrias, por serem organismos 
assexuados, herdam c‚pias idˆnticas do genes de suas progenitoras (ou seja, elas s€o clonais).
Algumas bactrias tambm transferem material gentico entre as clulas. A transferˆncia de genes  
particularmente importante na resistˆncia † antibi‚ticos. A resistˆncia a antibi‚ticos acontece devido † "coloca…€o" de um 
plasmƒdio que vai dar essa resistˆncia ao antibi‚tico.
A maioria das batrias n€o apresentam reprodu…€o sexuada, mas podem ocorrer misturas de genes entre 
indivƒduos diferentes, o que  chamado de recombinação genética. Esse processo leva † forma…€o de novos 
indivƒduos com caracterƒstias genticas diferentes, resultando na mistura de material gentico. Uma bactria pode 
adquirir genes de outra bactria e mistura-la aos seus de trˆs maneiras diversas:
TRANSFORMAÇÃO BACTERIANA
Ocorre pela absor…€o de molculas ou 
fragmentos de molculas de DNA que estejam dipostos 
no ambiente, proveniente de bactrias mortas e 
decompostas; a clula bacteriana transformada
(receptora) passa a apresentar novas caracterƒsticas 
heredit‰rias, condicionadas pelo DNA incorporado. 
Este n€o precisa ser de bactrias da mesma espcie; em princƒpio, qualquer tipo de DNA pode ser capturado se 
as condi…Šes forem adequadas. Entretanto, um DNA capturado s‚ ser‰ introduzido no cromossomo bacteriano se for 
semelhante ao DNA da bactria receptora.
TRANSDUÇÃO BACTERIANA
Consiste na transferˆncia de segmentos de 
molculas de DNA de uma bactria para outra. Isso 
ocorre porque, ao formarem-se no interior das 
clulas hospedeiras, os bateri‚fagos (vƒrus) podem 
eventualmente incorporar peda…os do DNA 
bacteriano. Depois de ser liberados a infectar outra 
bactria, os bacteri‚fagos podem transmitir a ela os 
genes bacterianos que transportavam. 
A bactria infectada eventualmente incorpora em seu cromossomo os genes recebido do fago. Se este n€o 
destruir a bactria, ela pode multiplicar-se e originar uma linhagem "transduzida" com novas caracterƒsticas, adquiridas 
de outras bactrias via fago.
CONJUGAÇÃO BACTERIANA
Consiste na transferˆncia de DNA 
diretamente de uma bactria doadora para 
uma receptora atravs de um tubo de 
proteƒna denominado pêlo sexual ou pili, 
que conecta duas bactrias. Os pili est€o 
presentes apenas em bactrias doadoras 
de DNA.
Quando a recombina…€o gentica foi descoberta pelo bi‚logo Joshua Lederberg, pensou-se que se tratava de 
um processo sexual compar‰vel ao dos seres eucariontes . Por isso, na poca, as bactrias doadoras de DNA foram 
denominados machos e as receptoras, fˆmeas. A continuidade dos estudos mostrou que a capacidade de doar DNA 
est‰ ligada † presen…a de um plasmƒdio denominado F (de fertilidade); bactrias portadoras do plasmƒdio F, 
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denominadas F+, atuam como doadoras de DNA e as que n€o possuem o plasmƒdio F atuam como receptoras, sendo 
chamadas de F-. Hoje sabe-se que o DNA transferido de uma bactria para outra, na conjuga…€o,  quase sempre o 
plasmƒdio F. Algumas vezes, porm, um pequeno peda…o de DNA cromoss„mico une-se ao plasmƒdio e  transferido 
junto com ele na conjuga…€o. Na bactria receptora pode ocorrer recombina…€o gentica entre o cromossomo e o 
fragmento de DNA unido ao plasmƒdio recebido da bactria doadora.
ASPECTOS GENTICOS DA RESIST†NCIA BACTERIANA A DROGAS
O genoma procarioto e sua fun…€o determina um dos maiores problemas de sade pblica atual: mecanismo de 
resistˆncia † antibi‚tico. Para isso, devemos iniciar definindo os seguintes termos: quimioter‰picos e antibi‚ticos.
 Quimioterápico: substŽncia com a…€o antimicrobiana produzida por sƒntese em laborat‚rio.
 Antibiótico: substŽncia de a…€o antimicrobiana produzida naturalmente por fungos e pelas pr‚prias bactrias. 
Ex:
 Penicillium  Penicilinas
 Cephalosporium  Cefalosporina
 Streptomyces  Estreptomicina, neomicina, canamicina, tobramicina, eritromicina, etc.
 Micromonospora  Gentamicina, sisomicina
 Bacilus  Polimixinas, bacitracina
 Chromobacterium  Aztreonam
OBS2: Admite-se que o “cheiro de chuva” que predomina na terra ap‚s a chuva  resultado de geoprodutos liberados 
pelas bactrias Streptomyces presentes no solo.
AÇÃO DOS ANTIMICROBIANOS
 Bacteriostática: inibe o processo de multiplica…€o do microorganismo.
 Bactericida: inibe o crescimento do microorganismo.
HISTÓRICO
Como se sabe, antibiótico  uma substŽncia que tem capacidade de interagir com microorganismos
unicelulares ou pluricelulares que causam infec…Šes no organismo. Os antibi‚ticos interferem com estes 
microorganismos, matando-os ou inibindo seu metabolismo e ou sua reprodu…€o, permitindo ao sistema imunol‚gico 
combatˆ-los com maior efic‰cia.
O primeiro antibi‚tico fabricado pelo homem foi a penicilina. Alexander Fleming, bacteriologista do St. Mary's 
Hospital, de Londres, j‰ vinha havia algum tempo pesquisando substŽncias capazes de matar ou impedir o crescimento 
de bactrias nas feridas infectadas, pesquisa justificada pela experiˆncia adquirida na Primeira Grande Guerra 1914-
1918, na qual muitos combatentes morreram em conseq‡ˆncia da infec…€o em ferimentos profundos e mal-tratados por 
falta de tratamento adequado. No ano de 1922 Fleming descobre uma substŽncia antibacteriana na l‰grima e na saliva, 
a qual dera o nome de lisozima. E em 1928 Fleming desenvolveu pesquisas sobre estafilococos, quando descobriu a 
penicilina. A descoberta da penicilina deu-se em condi…Šes peculiarƒssimas, gra…as a uma seq‡ˆncia de acontecimentos 
imprevistos e surpreendentes. No mˆs de agosto de 1928Fleming tirou frias e, por esquecimento, deixou algumas 
placas com culturas de estafilococos sobre a mesa, em lugar de guard‰-las na geladeira ou inutiliz‰-las, como seria 
natural, ao retornar ao trabalho, em setembro do mesmo ano, observou que algumas das placas estavam contaminadas 
com mofo, fato este relativamente freq‡ente. Colocou-as ent€o, em uma bandeja para limpeza e esteriliza…€o com lisol. 
Neste exato momento entrou no laborat‚rio um seu colega, Dr. Pryce, e lhe perguntou como iam suas pesquisas. 
Fleming apanhou novamente as placas para explicar alguns detalhes ao seu colega sobre as culturas de estafilococos
que estava realizando, quando notou que havia, em uma das placas, um halo transparente em torno do mofo 
contaminante, o que parecia indicar que aquele fungo produzia uma substŽncia bactericida. O assunto foi discutido entre 
ambos e Fleming decidiu fazer algumas culturas do fungo para estudo posterior. O fungo foi identificado como 
pertencente ao gˆnero Penicilium, de onde deriva o nome da penicilina dado † substŽncia por ele produzida. Fleming 
passou a empreg‰-lo em seu laborat‚rio para selecionar determinadas bactrias, eliminando das culturas as espcies 
sensƒveis † sua a…€o. A descoberta de Fleming n€o despertou inicialmente maior interesse e n€o houve a preocupa…€o 
em utiliz‰-la para fins terapˆuticos em casos de infec…€o humana at a eclos€o da Segunda Guerra Mundial, em 1939. 
Nesse ano e em decorrˆncia do pr‚prio conflito, a fim de evitarem-se baixas desnecess‰rias, foram ent€o ampliadas as 
pesquisas a respeito da penicilina e seu uso humano.
Em 1935, Gerhard Domark cria em laborat‚rio a sufa, substŽncia com atividade antimicrobiana.
Em 1940, Sir Howard Florey e Ernst Chain, da Universidade de Oxford, retomaram as pesquisas de Fleming e 
conseguiram produzir penicilina com fins terapˆuticos em escala industrial, inaugurando uma nova era para a medicina 
denominada a era dos antibi‚ticos. Para a II Guerra Mundial, os antibi‚ticos eram vistos como “Balas M‰gicas”. Ainda 
nesse perƒodo, menos que 1% dos S. aureus estudados eram resistentes a penicilina. Em 1946, 60% dos S. áureos j‰ se 
apresentavam resistentes † penicilina: apresentavam genes produtores de penicilinases, enzimas que quebram o anel 
β-lactamico da penicilina (respons‰vel por matar a bactria).
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RESISTÊNCIA BACTERIANA A DROGAS
A resistência bacteriana pode ser dar por duas formas: resistência natural (toda a espécie bacteriana é 
naturalmente resistente a um certo antibiótico. Ex: Escherichia coli não pode ser tratada com benzilpenicilina por ser 
resistente à essa droga) e resistência adquirida (ao longo de seu desenvolvimento, adquire resistência devido a 
processos de conjugação, transformação, etc.). O antibiótico não induz resistência. A resistência adquirida é um 
fenômeno espontâneo da bactéria, sendo os antimicrobianos apenas agentes seletores de amostras resistentes. Isso 
demonstra que antibióticos devem ser administrado da maneira e intervalos corretos.
CAUSAS DA RESISTÊNCIA
A capacidade de adaptação ao novo ambiente garante à bactéria variabilidade genética gerada por mutação e 
mecanismos de transferência. As condições que favorecem a seleção e disseminação de genes de resistência aos 
antibióticos são:
 Uso abusivo dos antimicrobianos nos hospitais
 Venda livre/Aquisição direta pelo doente (Automedicação)
 Indicação indiscriminada por médicos
 Uso como aditivo em ração animal
 A tecnologia do DNA recombinante, que gera organismos transgênicos, pode criar vetores plasmídios resistentes
 Pressão seletiva natural de muitos antibióticos (fungos e bactérias)
 Exposição a outros agentes seletivos como mercúrio
 Fatores atuais: Maior imunodepressão (decorrente da AIDS, quimioterapia anticâncer e maior freqüência de 
transplantes)
 Modernos meios de transportes, o que facilita o transporte de pessoas ao redor do mundo, carregando consigo 
bactérias de variados meios de resistência.
OBS3: Mecanismo de Resistência:
Versatilidade Genética  Aquisição de Novo Dna  Mutação e Recombinação  Mecanismos ee Tranferência do 
Material Genético
COMO SALVAR OS ANTIMICROBIANOS
Para evitar cada vez mais a resistência dos micróbios aos 
medicamentos, deve-se tomar algumas medidas, tais como:
 A busca de novos antimicrobianos
 Modificar ou rejuvenescer drogas já existentes
 Obtenção de Vacinas por Técnicas Convencionais ou 
Moleculares
 Admitir que a resistência bacteriana é um sério problema de 
saúde pública (Fenótipo=Genótipo + Ambiente)
 Adotar ações que reduzam o uso dos antimicrobianos: Só 
usá-los se indispensável (Diagnóstico); Realizar 
antibiogramas; Programas de vigilância hospitalar e 
comunitária; Usar vacinas que aumentem as defesas do 
organismo e reduzam as necessidades de drogas.
OBS4: A Anvisa, com o intuito de evitar a prescrição de antibióticos sem 
parcimônia, instituiu, desde 2010 (por meio da RDC Nº 44, DE 26 DE 
OUTUBRO DE 2010), preconiza no DOU, que a prescrição de antibióticos 
seja feita a partir do preenchimento de Receituário de Controle Especial, o 
que exige duas vias, dados gerais do paciente e carimbo do médico 
responsável.
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ANTIBIOGRAMA
Um antibiograma é um ensaio que mede a susceptibilidade/resistência de uma bactéria a um ou mais agentes 
antimicrobianos. Seu objetivo é tanto a análise do espectro de sensibilidade/resistência a drogas de uma bactéria quanto 
a determinação da concentração mínima inibitória.
O Ágar de Mueller Hinton é recomendado pelo U.S. Food and Drug Administration (FDA) e pela Organização 
Mundial da Saúde (OMS) para o teste de sensibilidade/resistência a antibióticos de bactérias Gram positivas e Gram 
negativas, aeróbicas ou anaeróbicas facultativas, comumente encontradas em alimentos e espécimes clínicos. O teste, 
denominado antibiograma, é feito utilizando-se discos de difusão antibióticos depositados sobre a superfície do meio 
onde se inoculou, por espalhamento, uma amostra de uma cultura bacteriana previamente crescida em meio líquido.
Material: Pipetador com volume fixo de 100 µl, ponteiras esterilizadas, alça de Drigalski esterilizada, placas de 
Petri contendo meio Mueller Hinton, discos de difusão de antibióticos, cultura bacteriana em Caldo Nutriente ou meio LB. 
Procedimento : Semear, por espalhamento com alça de Drigalski ou com uma zaragatoa esterilizada, uma 
alíquota de 100 µl da cultura bacteriana em uma placa de Petri contendo meio Ágar de Mueller Hinton. Em seguida, 
depositar discos de papel filtro impregnados, separadamente, com quantidades determinadas de um antibiótico 
específico sobre a superfície do meio em disposição ordenada. Incubar a placa, invertidas, a 37ºC por cerca de 24 
horas.
Resultados: A formação de um halo transparente sobre a superfície do meio, ao redor de um disco de 
antibiótico, indica uma região com ausência de crescimento bacteriano, revelando a ação inibitória do agente 
antimicrobiano sobre a bactéria ensaiada.