Domínios Bacteria e Archaea

Prévia do material em texto

1
Diversidade Microbiana:Diversidade Microbiana:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSAUNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
Departamento de MicrobiologiaDepartamento de Microbiologia
MBI 101 MBI 101 –– Microbiologia GeralMicrobiologia Geral
Diversidade Microbiana:Diversidade Microbiana:
Domínio Domínio BacteriaBacteria
Domínio Domínio ArchaeaArchaea
Diversidade microbianaDiversidade microbiana
• Função da evolução dos micro-organismos
• ~ 4 bilhões de experimentação evolutiva• ~ 4 bilhões de experimentação evolutiva
• Diversidade microbiana foi dirigida, em grande parte, 
pela exploração de todas as formas possíveis de 
sobrevivência realizada pelos micro-organismos
• Dependente da diversidade metabólica
• Diversidade fisiológica refere-se à capacidade de 
b d õ bsobreviver em condições ambientais extremas:
– Temperatura
– pH
– Salinidade
2
A eA evolução volução 
biológicabiológica
Anaeróbio Aeróbio
Oxigenação da atmosfera e a “eOxigenação da atmosfera e a “evolução volução biológica”biológica”
CO2
O2
Gases redutores
m
po
si
çã
o 
(%
)
20
2
Cianobactérias
Anaeróbio Aeróbio
Al
Plantas
Archaea
NH3 CH4
CN
4000 3000 2000 1000 0
C
om
0.2
Cianobactérias AlgasArchaea
Milhões de anos até o presenteMilhões de anos até o presente
3
O Sistema de Três Domínios
Carl Woese (1977)
A árvore da vida representa uma hipótese evolucionária que
encontra-se em processo de refinamento.
“ORGANISMOS PRIMITIVOS E ORGANISMOS MODERNOS???”
ORGANISMOS MENOS DERIVADOS
ORGANISMOS MENOS DERIVADOS DOS DOMÍNIOS 
ARCHAEA E BACTERIA:
- TERMOFÍLICOS E HIPERTERMOFÍLICOS
4
Características que diferenciam os três domínios
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSAUNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
Departamento de MicrobiologiaDepartamento de Microbiologia
MBI 101 MBI 101 –– Microbiologia GeralMicrobiologia Geral
Diversidade Microbiana:Diversidade Microbiana:
Domínio Domínio EukaryaEukarya
5
Complexo de Golgi Vacúolo 
Estrutura de células eucarióticas
Mitocôndria
glicocálice
Retículo 
endoplasmático liso
Centríolos 
Membrana 
plasmática
Lisossomo 
secundário
Lisossomo 
primárioNúcleo Retículo 
endoplasmático rugoso
nucléolo
Mitocôndria e Cloroplastos: 
 Ribossomo 70S
TeoriaTeoria
EndossimbióticaEndossimbiótica
Ribossomo 70S
 Pequeno DNA circular
 Sequência de rRNA similar às
bacterias
 Dividem independentemente, 
como as bactérias
S í i tibi ti d Sensíveis aos antibioticos de
procariotos
 Possuem bicamada de 
fosfolipídeos
6
PROCARIOTOSPROCARIOTOS
B t iB t i A hA h
BacteriaBacteria x x ArchaeaArchaea
•• Diferem quanto às propriedades Diferem quanto às propriedades 
químicas da membrana e parede químicas da membrana e parede 
celularcelular
•• BacteriaBacteria são sensíveis a são sensíveis a 
tibiótitibióti A hA h ãã
•• Ausência de núcleoAusência de núcleo
•• Ausência de organelas Ausência de organelas 
membranosasmembranosas
BacteriaBacteria ArchaeaArchaea antibióticos; antibióticos; ArchaeaArchaea são são 
insensíveis a muitos antibióticosinsensíveis a muitos antibióticos
•• As enzimas de síntese de ácidos As enzimas de síntese de ácidos 
nucléicos e proteínas de nucléicos e proteínas de Archaea Archaea 
têm semelhança com as de têm semelhança com as de 
eucariotoseucariotos
•• BacteriaBacteria podem ser patogênicas depodem ser patogênicas demembranosasmembranosas
•• Grupos evolutivos Grupos evolutivos 
distintosdistintos
•• “Ancestrais” das outras “Ancestrais” das outras 
formas de vidaformas de vida
BacteriaBacteria podem ser patogênicas de podem ser patogênicas de 
plantas e animaisplantas e animais
•• Bactérias típicas são Bactérias típicas são E.coliE.coli, , S. S. 
aureusaureus, , BacillusBacillus, etc., etc.
•• ArchaeaArchaea típicas são termofílicos típicas são termofílicos 
extremos e metanogênicasextremos e metanogênicas
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSAUNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
Departamento de MicrobiologiaDepartamento de Microbiologia
MBI 101 MBI 101 –– Microbiologia GeralMicrobiologia Geral
Diversidade Microbiana:Diversidade Microbiana:
Domínio Domínio BacteriaBacteria
7
Parede celular de bactérias 
Gram-positivas
Magnetossomo
(magnetita, Fe3O4 )
Poli-β-hidroxibutirato
8
O Sistema de Três Domínios
Carl Woese (1977)
A árvore da vida representa uma hipótese evolucionária que
encontra-se em processo de refinamento.
Bactérias
Espiroquetas
Flavobactérias
Defferibacter
Citophaga
Árvore Filogenética do Domínio Bacteria
Thermotoga 
Bactérias verdes 
não sulfurosas
Bactérias 
verdes 
sulfurosas
Deinococos 
Planctomyces/Pirella
Verrucomicróbios
Chlamydia
Cianobactérias
Bactérias 
Aquifex 
Thermodesulfobacterium gram-positivas
Nitrospira
Proteobactérias
9
Visão geral da filogenia de Bacteria
• Pelo menos 17 filos 
• 4 filos de menor derivação filogenética que4 filos de menor derivação filogenética que 
contêm espécies termofílicas
• 3 filos principais com maior volume de 
informação fenotípica:
– proteobacterias: 5 grupos: alfa, beta, gama, delta 
e epsilonp
– bactérias gram-positivas: Baixo conteúdo G+C
Alto conteúdo G+C
– cianobactérias
ProteobacteriaProteobacteria
• Bacteria púrpuras fototróficas:
– Bacteria púrpuras sulfurosas e
– Bacteria púrpuras não sulfurosas;
• Bacteria nitrificantes;
• Bacteria oxidantes de enxofre e ferro;
B i id d hid ê i• Bacteria oxidantes de hidrogênio;
• Metanotróficas e metilotróficas;
• Pseudomonas e pseudomonadas;
• Bactérias acéticas;
• Bactérias fixadoras de nitrogênio;
• Neisseria, Chromobacterium e relacionadas;
• Bacterias entéricas;
• Vibrio e Photobacterium;Vibrio e Photobacterium;
• Riquétsias;
• Espirilos;
• Proteobactérias com bainha;
• Bacteria com brotamento e prosteca/pedúnculo;
• Myxobactérias deslizantes;
• Proteobactérias redutoras de sulfato e enxofre.
10
Bactérias púrpuras
11
Enterobactérias
• Grupo filogeneticamente 
homogêneo
M i d 40 ê 150
Bactérias entéricas
• Mais de 40 gêneros e 150 
espécies e subespécies
• Bastonetes Gram negativos não 
esporulados, imóveis ou móveis 
por flagelos peritríquios, 
anaeróbios facultativos, 
reduzem nitrato, são catalase 
positivos e oxidase negativos, 
com requerimentos nutricionais 
relativamente simples, 
fermentadores de açúcares 
com formação de uma 
variedade de produtos finais
Enterobactérias
• São ubiqüitários, encontrados no 
solo, água e vegetais
• Inclui espécies saprófitas 
colonizadoras do TGI de
Perfil Fermentativo:
• Característica taxonômica 
chave
Bactérias entéricas
colonizadoras do TGI de 
humanos e animais
• Linhagens de importância 
industrial
• Linhagens patogênicas para 
humanos, animais ou plantas
30% d 70% d ITU
• Tipo e proporção de 
produtos de fermentação
• Duas vias de utilização da 
glicose:
–– Fermentação ÁcidoFermentação Ácido--
• 30% das sepses, 70% de ITUs e 
infecções intestinais
çç
MistaMista
–– Fermentação de Fermentação de 
2,32,3--butanediolbutanediol
12
Fermentação Ácido-Mista
(por ex. Escherichia coli)
Glicose 
Glicólise 
Piruvato Lactato
Bactérias entéricas
+
Acetil-CoA
Acetato
Etanol 
Succinato 
CO2
Produtos típicos
(quantidades molares)
Ácidos : Neutros
4 : 1
CO2 : H2
1 : 1 +
H2
CO2
Formato
1 : 1 +
Fermentação 2,3-butanediol 
(por ex. Enterobacter aerogenes)
Etanol 
2,3-butanediol + CO2
Bactérias entéricas
Produtos típicos 
(quantidades molares)
Ácidos: Neutros
Glicose 
Glicólise 
Piruvato 
Lactato 
Succinato 
Ácidos: Neutros
1 : 6
CO2 : H2
5 : 1
Acetato 
CO2 + H2
13
Escherichia coli
• Organismo facultativo predominante nas fezes
• Produz vitamina K
S(j t t lif Kl b i ll
Bactérias entéricas
• Sua presença (junto com outros coliformes Klebsiella, 
Enterobacter e Citrobacter) é usada como evidência da 
contaminação fecal de águas (indicador)
• Estirpes uropatogênicas (UPEC) responsáveis por 90% 
das infecções urinárias - UTIs (cistite e pielonefrite)
• Importante agente de bacteremias (sepse)Importante agente de bacteremias (sepse)
• Causa mais freqüente de meningite bacteriana 
neonatal
• Estirpes causadoras de infecções intestinais (DEC) 
divididas em 5 patotipos principais
Doenças:Doenças:
– Colonização assintomática - S Typhi e S
Salmonella 
Bactérias entéricas
– Colonização assintomática - S. Typhi e S. 
Paratyphi
– Febre entérica ou tifóide - Estima-se 21 milhões 
de casos e 200.000 mortes/ano no mundo
– Salmoneloses não tifóides - Gastroenterites -
CDC estima 1,4 milhão casos e 600 mortes/ano nos 
EUAEUA
– Bacteremia - S. Typhi, S. Paratyphi, S. Choleraesuis 
e S. Enteritidis
14
Bactérias
Espiroquetas
Flavobactérias
Defferibacter
Citophaga
Árvore Filogenética do Domínio Bacteria
Thermotoga 
Bactérias verdes 
não sulfurosas
Bactérias 
verdes 
sulfurosas
Deinococos 
Planctomyces/Pirella
Verrucomicróbios
Chlamydia
Cianobactérias
Bactérias 
Aquifex 
Thermodesulfobacterium gram-positivas
Nitrospira
Proteobactérias
Bacterias Gram-positivas não 
esporulantes
(Bactérias Lácticas)
15
BactBactériasérias do ácido lácticodo ácido láctico
 Grupo de bactérias correspondentes a bacilos e cocos gram-positivos, de
baixo conteúdo G+C (30-50 %) não-esporulantes que produzem ácido láctico
como principal produto da fermentação de açúcares.
Bactérias Gram positivas não esporulantes
Principais Gêneros:Principais Gêneros: StreptococcusStreptococcus, , LactobacillusLactobacillus
Bactérias Gram positivas não esporulantes
Lactobacillus spp
16
Estreptococos de importância médica e oralEstreptococos de importância médica e oral
Produzem ExotoxinasProduzem Exotoxinas
Doenças:Doenças:
Infecções do trato respiratório e septicemia, pneumonia, otite, Infecções do trato respiratório e septicemia, pneumonia, otite, 
meningite faringite febre reumática endocardite cárie dentáriameningite faringite febre reumática endocardite cárie dentária
Bactérias Gram positivas não esporulantes
meningite, faringite, febre reumática, endocardite, cárie dentária, meningite, faringite, febre reumática, endocardite, cárie dentária, 
mastite bovinamastite bovina
Transmissão:Transmissão:
Por inalação ou ingestão, sexualmente, congenitamente ou Por inalação ou ingestão, sexualmente, congenitamente ou 
indiretamente por intermédio das mãosindiretamente por intermédio das mãos
Estreptococos oraisEstreptococos orais
 Streptococcus mutans, Streptococcus sobrinus Streptococcus mutans, Streptococcus sobrinus
Estreptococos de importância médica ou veterináriaEstreptococos de importância médica ou veterinária
 Streptococcus pyogenes, S. pneumoniae, S. bovis
Bactérias GramBactérias Gram--Positivas Positivas 
Formadoras de Formadoras de EndosporosEndosporos::
BacillusBacillus e e ClostridiumClostridium
17
Esporulação em Bacillus subtilis
C i t
Síntese 
da capa
Bactérias Gram positivas esporulantes
Ciclo 
vegetativo
Esporulação
Crescimento
Di i ão pol
Cortex
Parede celular
Membrana
Capa do esporo
Maturação, 
lise celular
Germinação
(esporo livre)
Esporulação
Divisão
celular
Divisão polar
Pré-esporo
Septo
Célula mãe
Divisão celular assimétrica
Engolfamento
Síntese 
do cortex
CARACTERÍSTICAS FENOTÍPICAS 
SIMILARES NEM SEMPRE 
INDICAM UM GRUPOINDICAM UM GRUPO 
FILOGENETICAMENTE VÁLIDO.
Exemplo: Microrganismos 
fototróficos
18
Bactérias
Espiroquetas
Flavobactérias
Defferibacter
Citophaga
Árvore Filogenética do Domínio Bacteria
Thermotoga 
Bactérias verdes 
não sulfurosas
Bactérias 
verdes 
sulfurosas
Deinococos 
Planctomyces/Pirella
Verrucomicróbios
Chlamydia
Cianobactérias
Bactérias 
Aquifex 
Thermodesulfobacterium gram-positivas
Nitrospira
Proteobactérias
19
A Fotossíntese em Cianobactérias:
20
Introdução
CianobactériasCianobactérias
Nostoc
Oscillatoria
StigonemaMerismopedia
Endossimbiose primária
21
Universidade Federal de ViçosaUniversidade Federal de Viçosa
Departamento de MicrobiologiaDepartamento de Microbiologia
MBI 101MBI 101
Procariotos do Domínio Procariotos do Domínio 
ArchaeaArchaea
Características Bioquímicas e EstruturaisCaracterísticas Bioquímicas e Estruturais
Parede CelularParede Celular
NAT – ácido N-acetil-talosaminurônico
22
Características Bioquímicas e EstruturaisCaracterísticas Bioquímicas e Estruturais
Lipídeos de membranaLipídeos de membrana
E. coli
Halobacterium 
salinarum
Sulfolobus 
acidocaldarius
Características Características 
Bioquímicas e Bioquímicas e 
EstruturaisEstruturais
RNA polimeraseRNA polimerase
Saccharomyces 
cerevisiae
23
Características de Características de ArchaeaArchaea
• Muitas Archaea são extremófilas, com espécies capazes 
de crescer nas maiores temperaturas e em extremos dede crescer nas maiores temperaturas e em extremos de 
pH comparado a todos os organismos conhecidos
• Todas Archaea são quimiotróficas, algumas são 
quimiorganotróficas e muitas são quimiolitotróficas
O ambiente O ambiente 
primitivoprimitivo
24
O domO domínio ínio Archaea Archaea abrange abrange 3 3 
Filos Filos cultiváveiscultiváveis::
Crenarchaeota, EuryarchaeotaCrenarchaeota, Euryarchaeota
e Nanoarchaeotae Nanoarchaeota
Filogenia do Domínio Filogenia do Domínio ArchaeaArchaea
FiloFilo EuryarchaeotaEuryarchaeota –– MaiorMaior divisãodivisão.. ArchaeaArchaea halofílicashalofílicas
extremas,extremas, ArchaeaArchaea metanogênicasmetanogênicas ee ArchaeaArchaea termofílicastermofílicas
queque metabolizammetabolizam compostoscompostos dede enxofreenxofre..
FiloFilo CrenarchaeotaCrenarchaeota –– ContémContém representantesrepresentantes queque vivemvivem emem
ambosambos osos extremosextremos dede temperaturatemperatura.. AA maioriamaioria dasdas espéciesespécies
cultivadascultivadas sãosão hipertermófilashipertermófilas..
FiloFilo “Korarchaeota”“Korarchaeota” –– NenhumNenhum representanterepresentante cultivadocultivado inin
vitrovitro IdentificadoIdentificado porpor análiseanálise dede seqüênciasseqüências dede rDNArDNA obtidasobtidasvitrovitro.. IdentificadoIdentificado porpor análiseanálise dede seqüênciasseqüências dede rDNArDNA obtidasobtidas
dede umauma fontefonte termaltermal dodo ParqueParque NacionalNacional dede YellowstoneYellowstone..
FiloFilo NanoarchaeotaNanoarchaeota –– SimbionteSimbionte hipertermofílicohipertermofílico dede “nano“nano--
tamanho”tamanho” (ex(ex:: NanoarchaeumNanoarchaeum equitansequitans ++ IgnicoccusIgnicoccus
((archaeaarchaea))  400400 nmnm diâmetro,diâmetro, genomagenoma 500500 Mpb)Mpb)..
25
Euryarchaeota Euryarchaeota –– Principais gruposPrincipais grupos
Halofílicas extremasTermoacidófilas
Metanogênicas
Euryarchaeota
ArchaeaArchaea Halofílicas ExtremasHalofílicas Extremas
•• HabitamHabitam ambientesambientes hipersalinoshipersalinos:: tanquestanques dede produproduçãoção dede
salsal;; lagoslagos salinossalinos naturaisnaturais ee peixespeixes ee carnescarnes salgadassalgadas..
•• RequeremRequerem pelopelo menosmenos 11,,55 MM (~(~ 99 %%)) dede NaClNaCl parapara
crescercrescer.. AA maioriamaioria requerrequer 22--44 MM dede NaClNaCl ((1212--2323 %%)) parapara
crescimentocrescimento ótimoótimo..
•• AA maioriamaioria dasdas espéciesespécies crescecresce emem soluçõessoluções salinassalinas
saturadassaturadas ((55,,55 M,M, ~~ 3322 %%))..
•• ParedeParede celularcelular éé compostacomposta porpor glicoproteínasglicoproteínas(ricas(ricas emem
aspasp ee glu)glu) ee estabilizadaestabilizada porpor íonsíons sódiosódio..
•• AcumulamAcumulam K+K+ nono citoplasmacitoplasma (>(> 55,,00 M)M)  íoníon estabilizaestabiliza
proteínasproteínas ee ribossomosribossomos (homeostasia(homeostasia osmótica)osmótica)
•• PossuemPossuem metabolismometabolismo quimiorganotróficoquimiorganotrófico  UtilizamUtilizam
aminoácidosaminoácidos ee ácidosácidos orgânicosorgânicos comocomo fontefonte dede energiaenergia
26
Habitats hipersalinos de Archaea halofílicas
Lago Great Salt em Utah Tanques de produção de sal 
por evaporação
Lago Hamara no Egito
HaloarculaHaloarcula
Halobacterium salinarumHalobacterium salinarum
27
ArchaeaArchaea MetanogênicasMetanogênicas
Habitats PredominantesHabitats Predominantes
1.1. SedimentosSedimentos anóxicosanóxicos –– sedimentossedimentos dede pântanospântanos ee lagoslagos
predominantepredominante emem áreasáreas alagadas,alagadas, rizosferarizosfera dede plantasplantas etcetc..predominantepredominante emem áreasáreas alagadas,alagadas, rizosferarizosfera dede plantasplantas etcetc..
2.2. TratoTrato gastrintestinalgastrintestinal dede animaisanimais –– RúmenRúmen (bovinos,(bovinos,
ovelhas,ovelhas, alces,alces, veadosveados ee camelos),camelos), cecoceco (cavalos(cavalos ee
coelhos),coelhos), intestinointestino grossogrosso (humanos,(humanos, porcosporcos ee cães),cães),
intestinointestino dede insetosinsetos celulolíticoscelulolíticos (c(cupinsupins))
3.3. FontesFontes geotermaisgeotermais dede HH22 ee COCO22:: FendasFendas hidrotermaishidrotermais
4.4. AterrosAterros sanitáriossanitários ee sistemassistemas dede tratamentotratamento dede
efluentesefluentes (digestores(digestores anaeróbios)anaeróbios)
5.5. DepósitosDepósitos dede óleoóleo ee gásgás
6.6. EndossimbiontesEndossimbiontes dede protozoáriosprotozoários anaeróbiosanaeróbios..
MethanosarcinaMethanosarcina
MaiorMaior genomagenoma dede ArchaeaArchaea jájá sequenciadosequenciado ((55,,77 Mb)Mb)..
EncontradoEncontrado nono tratotrato gastrintestinalgastrintestinal humanohumano ee dede
ruminantesruminantes.. PodePode utilizarutilizar diversosdiversos substratossubstratos parapara
metanogênesemetanogênese..
Methanosarcina acetivoransMethanosarcina acetivorans
28
Euryarchaeota Euryarchaeota –– Principais gruposPrincipais grupos
Halofílicas extremasTermoacidófilos
Metanogênicos
Euryarchaeota
TermofílicoTermofílico ee acidofílicoacidofílico ((5555ooCC ee pHpH 22 emem meiomeio complexo)complexo)..
DesprovidoDesprovido dede paredeparede celularcelular  MembranaMembrana contémcontém compostocomposto
semelhantesemelhante aa umum lipolissacarídeolipolissacarídeo (lipoglicano,(lipoglicano, emem micoplasmas)micoplasmas)
Euryarchaeota Extremamente AcidofílicasEuryarchaeota Extremamente Acidofílicas
Ordem Thermoplasmatales:Ordem Thermoplasmatales: GêneroGênero ThermoplasmaThermoplasma
queque confereconfere estabilidadeestabilidade àsàs condiçõescondições ácidasácidas ee altasaltas
temperaturastemperaturas..
Quimiorganotrófico,Quimiorganotrófico, aeróbioaeróbio facultativofacultativo  podempodem crescercrescer emem
aerobioseaerobiose ouou anaerobioseanaerobiose aa partirpartir dada respiraçãorespiração dodo enxofreenxofre..
EncontradoEncontrado emem refugorefugo dede carvãocarvão autoauto--aquecidasaquecidas ee solfatarassolfataras
DNADNA encontraencontra--sese associadoassociado aa proteínasproteínas homólogashomólogas aa histonashistonas..
lipolissacarídeolipolissacarídeo