MICROBIOLOGIA Evolução e sistemática microbiana Domínios Bacteria e archaea Domínio Fungi Vírus seminários Admir J. Giachini Andrea de Lima Pimenta Daniel Santos Mansur Professores:

Grupos de seminários (02/12/2013) 25 min apresentação e 15 min discussão Margareth, Thays, Manuel, Rodolfo, Maíra (08:00-08:40) Artigo: Molecular Bacteria-Fungi Interactions Ana Carolina, Danielle, Vânia, Francisco, Roniele (08:40-09:20) Artigo: Strategies for mining fungal products Ana Paula M, Mariana M, Victor, Elmahdy, Vagner (09:20-10:00) Artigo: Poxyviruses and host antiviral defenses Anabel, Mariana R, Renato, Ana Paula G, Marília (10:20-11:00) Artigo: Reprogramming microbes to be pathogen-seeking killers Bianca, Iris, Roberta, Luana, Greicy (11:00-11:40) Artigo: Small molecules disassembling biofilms

Origem da vida na terra - biogênese Biogênese: Omne vivum ex vivo (Pasteur, 1864) Omne vivum ex vivo: all life comes from life (latim)

Origem da vida na terra - biogênese Áreas que estudam a biogênese Astrofísica Cosmoquímica Planetologia Biologia evolutiva Paleobioquímica

Origem da vida na terra - biogênese A idade dos mitos Deuses que por invocação criaram a terra, a água, as coisas, etc. Vida vinda da água, que rodeava a terra, que era rodeada pelo céu e juntos formavam o cosmos

Origem da vida na terra - biogênese Período medieval Teoria da geração espontânea Século XVII: Buffon e Needham x Spallanzani Buffon frances e Needham ingles: os dois nao tiveram os cuidados de assepsia com crescimento microbiano dando suporte a teoria da geração espontânea

Origem da vida na terra - biogênese Progresso histórico - Comte (1798-1857) Estágio 1: período teológico e mitológico – realidade descrita como resultado de forças sobrenaturais (politeísmo, monoteísmo, animismo) Estágio 2: idade da metafísica – seres sobrenaturais (deuses) são substituídos por termos abstratos, poderes ou entidades Estágio 3: idade científica ou do positivismo – unificação da teoria e prática que é fruto do pensamento racional e da observação nos permitindo reconhecer relações e similaridades Comte é francês Politeísmo = varios deuses Animismo = plantas, animais, etc. tem alma por força da natureza

Origem da vida na terra - biogênese Estágio 3 Alexander Ivanovich Oparin (1894-1980) Oparin: Bakh Institute of Biochemistry in Moscow Hipóteses de Oparin Biogênese como discussão científica Comte é francês Politeísmo = varios deuses Animismo = plantas, animais, etc. tem alma por força da natureza http://www.valencia.edu/~orilife/textos/The%20Origin%20of%20Life.pdf

Surgimento da vida na terra Atmosfera primitiva – redutora ou oxidativa? Redutora: a terra coalescendo devagar, gerando pouco calor, o Fe exposto na superfície capturaria todo o oxigênio molecular. Assim, a atmosfera primitiva seria basicamente constituída de H2O, H2, N, NH3, CH4 com pouco CO ou CO2 (Oparin, 1924 – Oparin e Haldane) Ligeiramente oxidativa: a terra coalescendo rápido, gerando muito calor, a maioria do Fe derreteria e escorreria para o centro da terra, permitindo com que o O2 combinasse com CO2. Assim, a atmosfera primitiva seria constituída basicamente de H2O, CO e CO2, com traços de N, SO32-, NH3, CH4 e pouco O2 SO32-: sulfites

Surgimento da vida na terra Atmosfera primitiva – redutora Terra sujeita a várias fontes de energia (descargas elétricas, radiação solar, calor de vulcões, etc.) Essas fontes de E propiciaram a formação de pequenas moléculas orgânicas As substâncias químicas se acumularam na hidrosfera, o que então se tornou uma “sopa diluída” a partir da qual as primeiras formas vivas evoluíram espontaneamente SO32-: sulfites

Surgimento da vida na terra Água na terra: surgiu a ± 4 bilhões de anos, demonstrado pela presença de rochas sedimentares (3,8 bilhões de anos) na Groelândia, que requerem água para se formar Primeiramente expelida por vulcões, expandiu e se resfriou, e então se condensou e caiu na forma de chuva

Surgimento da vida na terra Água na terra: surgiu a ± 4 bilhões de anos, demonstrado pela presença de rochas sedimentares (3,8 bilhões de anos) na Groelândia, que requerem água para se formar A elevada temperatura da crosta da terra fez com que a água da chuva evaporasse antes de tocar o solo, resultando em ciclos contínuos de expansão, resfriamento, condensação e chuva, iniciando o ciclo da água

Surgimento da vida na terra Água na terra: surgiu a ± 4 bilhões de anos, demonstrado pela presença de rochas sedimentares (3,8 bilhões de anos) na Groelândia, que requerem água para se formar Essa água vagarosamente esfriou a superfície da terra, permitindo com que gotas se formassem, dando origem a pequenas poças, fontes, lagos, rios e oceanos

Surgimento da vida na terra Água na terra: surgiu a ± 4 bilhões de anos, demonstrado pela presença de rochas sedimentares (3,8 bilhões de anos) na Groelândia, que requerem água para se formar Considerando que a água era acídica (CO2, SO2, etc.), a água dissolveu a porção granítica da superfície basáltica liberando sal para salinização e formação dos oceanos

Origem da vida na terra - biogênese A ± 4,5 bilhões de anos a terra era um lugar inospitável http://en.wikipedia.org

Origem da vida na terra - biogênese Cerca de 1 bilhão de anos mais tarde apareceram os primeiros organismos capazes de metabolizar (capacidade de acumular e modificar nutrientes e energia) e de reproduzir-se (capacidade de gerar indivíduos como eles) provavelmente anaeróbios termofílicos (como geravam energia?) Como eles chegaram aqui?

Teorias sobre a biogênese Teoria criacionista Antes do século XVII a maioria das pessoas acreditava que Deus criou o homem e que outras criaturas menores fossem criadas via geração espontânea a partir da MO em decomposição http://quiprona.wordpress.com/2011/01/29/o-ensino-da-teoria-da-evolucao-e-a-ficha-que-ainda-nao-caiu/

Teorias sobre a biogênese A sopa primordial: propõe que os primeiros organismos eram organotróficos termofílicos anaeróbios (como a maioria dos fermentadores) que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos orgânicos Reações químicas formaram ácidos graxos, açúcares, aminoácidos, purinas, pirimidinas, nucleotídeos, e polímeros (± 4,1 Ba) quando a atmosfera foi exposta a descargas elétricas e radiação UV Acúmulo de compostos gerou os primeiros “nichos” de vida na terra Agregação espontânea de lipídios e proteínas (3,9 Ba) propiciou a formação de membranas primitivas e internamente incorporada a combinação certa de componentes químicos orgânicos e inorgânicos – mas não na forma de coacervados como se pensava anteriormente (Oparin 1936)

Teorias sobre a biogênese Miller-Urey (University of Chicago) nos anos 50, recriaram, num balão, como teria sido a formação das reações químicas responsáveis pela criação da vida – água, CH4, NH3, H2, descargas elétricas, produzindo moléculas como formaldeído (CH2O ou HCHO) e cianeto de hidrogênio (HCN), precursores da glicina Urey foi o orientador (ganhou premio Nobel) http://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htm

Teorias sobre a biogênese Miller-Urey (University of Chicago) nos anos 50, recriaram, num balão, como teria sido a formação das reações químicas responsáveis pela criação da vida – água, CH4, NH3, H2, descargas elétricas, produzindo moléculas como formaldeído (CH2O ou HCHO) e cianeto de hidrogênio (HCN), precursores da glicina Miller, Stanley L. (May 1953). "Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions" (PDF). Science 117(3046): 528–9. Bibcode 1953Sci...117..528M.doi:10.1126/science.117.3046.528. PMID 13056598. Miller, Stanley L.; Harold C. Urey (July 1959). "Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth". Science 130(3370): 245–51. Bibcode 1959Sci...130..245M.doi:10.1126/science.130.3370.245. PMID 13668555. Miller states that he made "A more complete analysis of the products" in the 1953 experiment, listing additional results.

Teorias sobre a biogênese Miller-Urey (University of Chicago) CO2 → CO + [O] (atomic oxygen) CH4 + 2[O] → CH2O + H2O CO + NH3 → HCN + H2O CH4 + NH3 → HCN + 3H2 Formaldeido (CH2O), ammonia e cianeto de H (HCN) reagem formando: CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2-COOH (glicina)

Teorias sobre a biogênese Mesma condição em meteoro encontrado na Austrália e também no espaço sideral - 90 aa diferentes (19 deles encontrados na terra) Meteoritos carbonáceos também têm Adenina (HCN)5 e Guanina (HCN)5O Onde nascem as estrelas há uma abundância de H2O, NH3, CH2O e HCN, compostos da sopa primordial Essa situação só seria possível numa atmosfera redutora, e não oxidativa como é hoje Hipóteses mais recentes duvidam da atmosfera redutora da terra mas mostram que o H constituía cerca de 40 % dos gases terrestres (o sol é basicamente composto de H) CH2O = formaldeído HCN = cianeto de H (tambem conhecido como ácido prússico) Adenina é a purina mais estável que se conhece dentro da família das purinas

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Walter Gilbert, da Harvard University, em 1986, sugeriu que tudo se originou a partir de um precursor de RNA – o mundo do RNA, onde essa molécula catalisou todas as reações necessárias para que o último ancestral comum sobrevivesse e se replicasse Gilbert, W. (1986). "Origin of life: The RNA world". Nature 319 (6055): 618.

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Na verdade essa hipótese foi primeiro sugerida por Carl Woese (Univeristy of Illinois) na década de 60, e mais tarde também adotada por Francis Crick (Medical Research Council in England) e Leslie Orgel (Salk Institute in San Diego) Francis Crick Leslie Orgel Carl Woese http://estudante-de-biogeo-11.blogspot.com/2008_10_01_archive.html http://www.nytimes.com/2007/11/05/us/05orgel.html http://www.astrobio.net/amee/summer_2008/Interviews/AnthonyPooleInterview.php

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA No entanto, quem tenta explicar essa teoria encontra um paradoxo Qual é esse paradoxo?

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA No entanto, quem tenta explicar essa teoria encontra um paradoxo Ácidos nucléicos somente são sintetizados com o auxilio de proteínas Proteínas somente são sintetizadas se a sequência de nucleotídeos correspondente estiver presente

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA No entanto, quem tenta explicar essa teoria encontra um paradoxo É muito improvável que ambas originaram-se espontaneamente no mesmo lugar e ao mesmo tempo É muito improvável que um tenha sido gerado sem a presença do outro Isso gera indícios que, aparentemente, a vida não poderia ter sido gerada através de simples reações químicas

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Esse RNA teria, subsequentemente, a habilidade de ligar aminoácidos para formar proteínas Esse cenário só é possível se o RNA prebiótico tivesse 2 condições que não são evidentes hoje: A capacidade de se replicar sem o auxílio de proteínas Habilidade de catalisar cada passo da síntese de proteínas

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA A descoberta de ribozimas, enzimas de RNA, em trabalhos independentes em duas universidades dos EUA nos anos 80 deu credibilidade para essa teoria Essas ribozimas conseguem ligar nucleotídeos, como se faz na síntese de RNA ou DNA Leva a indícios de que, dessa forma, existiu um ancestral comum as formas de vida, dando suporte a teorização do mundo de RNA

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Como explicar a questão de existir um ancestral comum? Shapiro R (1999) Planetary Dreams. Wiley & Sons, New York

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Como explicar a questão de existir um ancestral comum? Coisas vivas consistem de compostos orgânicos similares (ricos em C) Roll de proteínas sintetizadas a partir de 20 aminoácidos Essas proteínas incluem enzimas essências ao desenvolvimento, sobrevivência e reprodução Organismos contemporâneos carregam sua informação genética em ácidos nucleicos (DNA e RNA) e usam o mesmo código genético Esse código genético define o roll de aminoácidos, proteínas e o funcionamento do organismo Dessa forma a questão muda para: que série de reações químicas criou esse sistema interdependente de ácidos nucleicos e proteínas?

Teorias sobre a biogênese Teoria do mundo de RNA Problemas com esse modelo: A síntese de proteínas de forma independente (explicada anteriormente) Baixa concentração dos constituintes iniciais para síntese da molécula Instabilidade das riboses: dentre os carboidratos é uma das mais instáveis (73´ a 373 K subindo para 44 anos a 273 K)

Teorias sobre a biogênese Teoria do RNA piranosílico (6 carbonos): Eschenmoser (1996) e outros sugerem molécula chamada de RNA piranosílico como precursora da vida no planeta RNA piranosílico

Teorias sobre a biogênese Teoria do RNA piranosílico (6 carbonos): Eschenmoser (1996) e outros sugerem molécula chamada de RNA piranosílico como precursora da vida no planeta http://cas.bellarmine.edu/tietjen/Ecology/chemical_etiology_of_nucleic_aci.htm

Teorias sobre a biogênese Teoria da origem dos constituintes do espaço (panspermia) ou de fendas marinhas (vulcões) Teoria antiga (Arrhenius 1859-1927) mas, mesmo em tempos relativamente recentes ela ressurge Francis Crick & Leslie Orgel (1985): artigo sobre vinda de formas vivas em veículo espacial para a terra Francis Crick e Leslie Orgen publicaram um artigo em 1973 reintroduzindo o conceito da panspermia Arrhenius foi um dos principais defensores da panspermia (a cada 10 C dobra a velocidade de uma reação) Seeds of life transported across the universe by means of radiation pressure Interplanetary panspermia: the transport of life forms within the solar system Interstellar panspermia: the transport from one star to another Io9.com http://tallbloke.files.wordpress.com/2011/02/amersham.jpg

Teorias sobre a biogênese Teoria da origem dos constituintes do espaço (panspermia) ou de fendas marinhas (vulcões) Vulcões como fonte dos elementos iniciais para síntese de biomoléculas Vulcões como fonte de energia na forma de calor e de descargas elétricas A atividade de vulcões 4 bilhões de anos atrás era muito mais intensa do que hoje Muitos minerais catalíticos ativos estão presentes ao redor e em vulcões Volcanic exhalations provide a great deal of the following starting materials for the synthesis of biomolecules: H2O, CO2, CO, CH4, NH3 and sulphur compounds. Volcanoes set energy free in the form of heat and electrical discharges (lightning). It is clear that the volcanic activity four billion years ago was greater than it is today. Many catalytically active minerals are present in and around volcanoes bbc.co.uk ign.com

Teorias sobre a biogênese Elementos que poderiam incitar a formação de precursores da vida: Energia do interior da terra e de vulcões Energia na forma de UV do sol Radiação de alta energia: isótopos 40K, 238U, 235U and 232Th (na decomposição geram energia do tipo α-, β- and γ) Descargas elétricas (sua decomposição pode liberar energia para ionização e ativação) Ondas de choque (raios, explosões vulcânicas, impactos de meteoritos, etc.) Th = tório Physically speaking, electrical discharges consist of slow electrons which are active at high temperatures in a strictly limited space and which cover a wide range of the optical spectrum Physically speaking, shock waves are compaction waves with a vertical shock front, which occur in supersonic fluxes or as described above

Teorias sobre a biogênese Teorias de superfície: propõe que os primeiros organismos eram litotróficos termofílicos anaeróbios que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos inorgânicos Pirita (Wächtershäuser, 1988): Fe-S (teoria quimioautotrófica) Wächtershäuser: advogado Rauchfuss, 2008 http://en.wikipedia.org

Teorias sobre a biogênese Teorias de superfície: propõe que os primeiros organismos eram litotróficos termofílicos anaeróbios que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos inorgânicos Pirita: O Fe da pirita apresenta cargas positivas e permite a ligação de fosfatos (PO43-) possibilitando reações de polimerização A polimerização de lipídios criou membranas semipermeáveis através das quais foi possível gerar e manter um gradiente de prótons, produzindo energia para a síntese das reações sintéticas envolvendo compostos orgânicos gerados tanto dentro quanto fora da membrana W¨achtersh¨auser G (1988a) Microbiol Rev 52:452

Teorias sobre a biogênese Teorias de superfície: propõe que os primeiros organismos eram litotróficos termofílicos anaeróbios que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos orgânicos Partículas de argila: Graham Cairns-Smith (University of Glasgow) propôs, na década de 70, que a origem teria sido inorgânica, na configuração de cátions em partículas de montmorilonita como o repositor da informação genética Seven clues to the origin of life (1995) http://environment.uwe.ac.uk/geocal/SoilMech/classification/soilclas.htm

Teorias sobre a biogênese Teoria evolucionista/evolutiva Século XIX duas hipóteses derrubaram a teoria da geração espontânea: Pasteur e o experimento do pescoço de cisne Darwin e Wallace e a teoria da maior adaptabilidade resultando maior sucesso reprodutivo, fazendo com que suas proles herdem e perpetuem essas características (pressão ambiental seleciona características mais apropriadas) Seleção natural faz com que indivíduos simples evolvam a indivíduos mais complexos Variações impostas pela seleção natural e incorporadas são responsáveis pela variabilidade genética e a criação de novos indivíduos

Teorias sobre a biogênese Como definir VIDA Pelo menos 100 atributos para definir o que é vivo (Clark, 2002) Algumas características comuns a todas as formas de vida Capacidade de auto replicação (reprodução) Presença de eventos de mutação: variabilidade Capacidade metabolizante “Life is a system which is self-sustaining by utilizing external energy/nutrients owing to its internal process of component production and coupled to the medium via adaptive changes which persist during the time history of the system” (Luisi, 1998) Clark B (2002) Second Astrobiology Conference, NASA-Ames Research Center http://www.astrobiology.com/asc2002/abstract.html Luisi PL (1998) About various definitions of life. Origins Life Evol Biosphere 28:613-622 http://www.astro.iag.usp.br/~amancio/aga0316_artigos/Luisi98.pdf

Evolução da atmosfera A atmosfera evoluiu a medida que o O2 tornou-se mais abundante (± 2,5 Ba) O conteúdo de O2 aumentou gradativamente 0,1 % de O2 na atmosfera depois de 0,1 Ba (± 2,4 Ba) 1,0 % de O2 na atmosfera depois de 0,5 Ba (± 2 Ba) 10 % de O2 na atmosfera depois de 1 Ba (± 1,5 Ba) 21 % de O2 na atmosfera depois de 1,6 Ba (± 0,9 Ba) Organismos evoluíram (maior diversidade) com a mudança de uma atmosfera reduzida a uma oxidada (O2 como aceptor final de eletrons) A diversidade microbiana aumentou ± 0,5 Ba depois do início da geração de O2 Eucarióticos modernos evoluíram ± 1,3 Ba (1,2 Ba após o início da geração de O2)

Evolução da atmosfera Mutações (UV e outros) e a seleção natural fizeram com que microrganismos mais adaptados aparecessem, com parede celular distinta, distintas capacidades biossintéticas, membranas mais complexas, citocromos, clorofilas, fazendo, assim, com que surgissem os fototróficos que obtêm energia do sol e carbono de compostos inorgânicos Fotossintetizantes anoxigênicos: Evoluíram cerca de 0,2 Ba depois dos primeiros organismos Usavam apenas o fotossistema I Fotossintetizantes oxigênicos: Evoluíram cerca de 1,2 Ba depois dos primeiros organismos Usavam tanto o fotossistema I quanto o II http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis

O processo evolutivo Processo de mudanças pelos quais organismos vivos passam e estão sujeitos Evidência do processo evolutivo é visto nos fósseis (paleontologia), nos estudos comparativos sobre a estrutura dos organismos (anatomia comparativa), bioquímica, embriologia e biogeografia http://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htm

O processo evolutivo Leslie Orgel (1997): cerca de 2 milhões de espécies vivas Michael Rosenzweig (2003) – Ecologia reconciliatória: 2 a 100 milhões de espécies vivas Mark Neumann (1994): 99.9% de todas as espécies vivas já foram extintas ± 2 bilhões de espécies evoluíram nos últimos 600 milhões de anos Portanto, qual é o período de existência de uma determinada espécie ou a razão/velocidade de extinção? http://blog.claudiocrow.com.br/album/default/10 Michael Rosenzweig

O processo evolutivo Leslie Orgel (1997): cerca de 2 milhões de espécies vivas Michael Rosenzweig (2003): 2 a 100 milhões de espécies vivas Mark Neumann (1994): 99.9% de todas as espécies vivas já foram extintas ± 2 bilhões de espécies evoluíram nos últimos 600 milhões de anos Portanto, qual é o período de existência de uma determinada espécie ou a taxa de extinção? Número de espécies= 1.980.000.000 Período = 600 milhões Número espécies extintas/ano = 3,3 espécies Uma espécie típica é extinta ± 10 milhões de anos depois de sua primeira aparição http://blog.claudiocrow.com.br/album/default/10

Eucarya Bacteria Archaea

Evolução e os fósseis Archaea Fósseis do período Precambriano (3,8 Ba) têm sido detectados na Groelândia, sendo os mais antigos fósseis conhecidos http://www.fossilmuseum.net/fossilrecord/images/erosion.jpg

Evolução e os fósseis Archaea Como definir se o fóssil pertence a uma bactéria ou a uma Archaea?

Evolução e os fósseis Archaea Como definir se o fóssil pertence a uma bactéria ou a uma Archaea? Presença de estruturas como isoprenos/isoterpenos (CH2=C(CH3)CH=CH2) das membranas

Evolução e os fósseis It’s just astounding to see how constant, how conserved, certain sequences motifs – proteins, genes – have been over enormous expanses of time. You can see sequence patterns that have persisted probably for over three billion years. That’s far longer than mountain ranges last, than continents retain their shape É impressionante verificar o quão constante, conservado, certas sequências – proteínas, genes – tem sido por períodos de tempo muito grandes. Você pode ver que o padrão das sequências tem persistido por, provavelmente, mais de 3 bilhões de anos. Isso é muito mais tempo que o tempo de existência de uma cadeia de montanhas, ou mais tempo que aquele nos quais os continentes mantêm sua forma (Carl Woese, 1997)

Evolução e os fósseis Bacteria: fósseis do período Precambriano (3,5 Ba) - cianobactérias em estromatótilos (aglomerações de cianobactérias com deposições de carbonatos) http://www.ucmp.berkeley.edu/bacteria/bacteriafr.html 1 Ba http://www.crikey-adventure-tours.com/images/Stromatolites_underwater_md.jpg espécie atual

Evolução e os fósseis Bacteria: fósseis do período Precambriano (3,5 Ba) - cianobactérias em estromatótilos (aglomerações de cianobactérias com deposições de carbonatos)

Evolução e os fósseis Bacteria: fósseis do período Precambriano (3,5 Ba) - cianobactérias em estromatótilos (aglomerações de cianobactérias com deposições de carbonatos)

Evolução e os fósseis Eukarya Fósseis de Eukarya conhecidos do Proterozóico (2,5 Ba – 543 Ma): algas (?) Fósseis de animais somente do período Vendiano (650 – 543 Ma) e Cambriano (542 – 488,3 Ma): trilobitas e braquiopodes Como detectar se são fósseis de eucariotos? http://www.ideofact.com/archives/trilobite.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Brachiopod

Evolução e os fósseis Eukarya Presença de esteranos (produtos de esteróis das membranas) – precursor dos esteróis http://en.wikipedia.org/wiki/Brachiopod

1,500 Fungos Cianobactérias Archaea e Bacteria

Classificação e nomenclatura A partir de um ancestral comum foram criados inúmeras formas de vida Variabilidade genética aumentou Necessidade de classificar (sistemática) e dar nome aos indivíduos (taxonomia) Os sistemas de classificação Variação ampla Reclassificações constantes Controvérsias Indefinições ainda persistem ? simpsonstrivia.com.ar

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação 2 reinos – Aristótoles (384 – 322 AC): animais e plantas 3 reinos (2 proposições) – Linnaeus (1707 – 1778): Regnum Animale Regnum Vegetabile Regnum Lapideum (minerais) – Haeckel (1866) Reino Protista (unicelular) Reino Plantae (multicelular) Reino Animalia (multicelular) vida vida http://en.wikipedia.org

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação 4 reinos – Copeland (1938) Reino Monera (procariotos, p. ex. bactérias e algas verde-azuladas) Reino Protista (eucariotos unicelulares, p. ex. leveduras) Reino Plantae Reino Animalia A partir de 1960 a criação dos “Impérios” ou “Domínios” acima de Reino, proposta por Chatton vida

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação 5 reinos – Whittaker (1969) Veja a adoção do sistema de impérios Reino Monera (unicelulares mais simples) Reino Protista (unicelulares mais simples) Reino Plantae (autotrofos multicelulares) Reino Fungi (saprotrofos multicelulares) Reino Animalia (heterotrofos multicelulares) http://en.wikipedia.org vida Império Procarioto Império Eucarioto

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação 6 reinos – Woese (1990) Impérios transformam-se em domínios Reino Bacteria Reino Archaea Reino Protista Reino Plantae Reino Fungi Reino Animalia Domínio Bacteria Domínio Archaea http://en.wikipedia.org vida Domínio Eukarya

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação 6 reinos – Cavalier-Smith (1998) Nesse sistema adota-se o sistema de Impérios Reino Bacteria – Archaeabacteria como sub-reino Reino Protozoa – ex. Amoebozoa, etc. Reino Chromista – ex. Alveolata, Heterokonta Reino Plantae – ex. algas, plantas terrestres Reino Fungi Reino Animalia http://en.wikipedia.org Império Procariota vida Império Eucariota

Classificação e nomenclatura Chlorobacteria Hadobacteria Cyanobacteria LUCA/LUA Gracilicutes Eurybacteria Endobacteria Actinobacteria Last (Common) Universal Ancestor Archaea Neomura Eukarya Dominios Archaea e Eukarya originados de Bacteria – Cavalier-Smith Parede com outras glicoproteinas Parede com peptideoglicano

Classificação e nomenclatura Neomura Inclui todas as espécies multicelulares e todos os extremófilos Os neomuranos tem histonas que ajudam a estabilizar seu DNA Eucariotos Archaea

Classificação e nomenclatura Neomura A grande maioria tem introns Todos usam metionia (MET) como aminoácido iniciador da síntese protéica (Bacteria usa formilmetionina) Usam vários tipos de RNA polimerase (Bacteria usa somente um tipo) Tem colesterol e proteasomas (proteínas complexas de alto PM) encontradas apenas em poucas bactérias (Actinobacteria – grupo mais evoluído de todos nas bactérias) Mitocôndrias presentes em Eukarya é outra evidência = surgiram por endossimbiose em α-Proteobacteria

Classificação e nomenclatura Os sistemas de classificação Sociedade Internacional de Protistologistas (2005) Sistema de domínios Bacteria Archaea Excavata – vários protozoários flagelados Amoebozoa – amebóides e “fungos limosos” Opisthokonta – animais, fungos, choanoflagelados, etc. Rhizaria – Foraminifera, Radiolaria, protozoários amebóides Chromalveolata – Stramenopilos (Heterokonta), Alveolata, etc. Archaeplastida (ou Primoplantae) – plantas terrestres, algas, etc. vida Domínio Archaea Domínio Eukarya Domínio Bacteria

Classificação e nomenclatura Bacteria Bergey’s Manual of Systematics Classification (2001-2008) – Springer David Bergey foi professor de Bacteriologia na Universidade da Pensilvânia no inicio do século XX Era membro da Sociedade Americana de Bacteriologia (SAB), hoje a Sociedade Americana de Microbiologia Em 1923 foi publicada a primeira edição do Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, hoje na nona edição Além dela outras publicações como: Bergey’s Manual of Systematics Classification

Classificação e nomenclatura Fungos Interational Code of Botanical Nomenclature 10a edição do The Dictionary of the Fungi

Classificação e nomenclatura Virus Interational Committee on Taxonomy of Viruses Baltimore System Exemplos Classe Descricção do genoma e estratégia de replicação Vírus bacterianos Vírus de animais I DNA fd Lambda, T4 Herpesvirus, poxvirus II DNA fs ɸ Χ174 Vírus de anemia de aves III RNA fd ɸ 6 Reovírus IV RNA fs (sentido +) MS2 Poliomielite V RNA fs (sentido -) Influenza, raiva VI RNA fs (replicação intermediária DNA) Retrovírus (AIDS, cânceres) VII DNA fd (replicação intermermediária RNA) Hepatite B

Procedimentos moleculares e filogenia Distância evolucionária ou distância filogenética Medida da divergência evolutiva entre duas sequências homólogas Mais popularmente = é o número de substituições que ocorreram entre duas sequências de nucleotídeos desde o momento que elas separaram-se de um ancestral comum, expresso tanto em número quanto em percentual Distâncias evolucionárias entre grupos filogenéticos podem ser medidas pela diferença na sequência de ácidos nucléicos (aminoácidos), se as moléculas usadas forem: Distribuídas universalmente no grupo estudado De função idêntica (funcionalidade homóloga) Devidamente alinhadas – homologia e heterogeneidade podem ser devidamente identificadas Com razão de mudança das sequências coerente com as distâncias evolucionárias entre os membros

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas Inicialmente proteínas com funções fisiológicas fundamentais, tais como citocromo C RNA ribossomal (rRNA) 5S pelo tamanho reduzido e facilidade de isolar. Desvantagens = a pouca complexidade Internal transcribed spacer (ITS) region primers http://www.biology.duke.edu/fungi/mycolab/primers.htm

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas Atualmente ATP sintase: Tem funcionalidade homóloga nas espécies onde é encontrada Alinha-se apropriadamente As razões de mudanças das sequências condiz com os métodos de distância evolucionária Os genes são de fácil isolamento CCCCGCTTTAACCGCGCGTTAAAGGC CCCCGCT- -AACCGCGCGTTAAAGGC CCCCGCTTTAACCGCGCGTTAAAGGC CCCCGCATTAAA - - -GCGTTATTGGC CCCCGCTGTAACCGCGCGTTAACGGC Espécie A Espécie B Espécie C

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas A maioria dos estudos atuais usa 16S rRNA (18S rRNA em eucariotos) isolado da subunidade menor do ribossomo. Porque?

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas A maioria dos estudos atuais usa 16S rRNA (18S rRNA em eucariotos) isolado da subunidade menor do ribossomo É altamente conservado Tem as características descritas anteriormente Tem um nível de complexidade adequado É relativamente fácil de isolar e de trabalhar Mas qual é o principal problema dessa molécula?

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas A maioria dos estudos atuais usa 16S rRNA (18S rRNA em eucariotos) isolado da subunidade menor do ribossomo É altamente conservado Tem as características descritas anteriormente Tem um nível de complexidade adequado É relativamente fácil de isolar e de trabalhar Mas qual é o principal problema dessa molécula? Baixa variação a nível interespecífico

Procedimentos moleculares e filogenia Moléculas usadas Outras opções: Fatores de elongação Ef-Tu, Ef-G (proteínas responsáveis pelos fatores de elongação) – procariotos Genes ribossomais, mitocondriais e proteínas estruturais - eucariotos

Classificação e nomenclatura Os três domínios (Woese, 1990) e as árvores filogenéticas da vida Porque “as árvores filogenéticas da vida” ? Eucarya Bacteria Archaea Árvore original www.wikipedia.org Árvore atual ?

Classificação e nomenclatura www.wikipedia.org LUCA/LUA

Classificação e nomenclatura E os vírus? melecofone.com.br

LUCA = last universal common ancestor Transição de RNA a DNA Archaea Mundo de DNA viral fvA fvE fvB Eukarya Bacteria Linhagens extintas LUCA (Genoma de RNA) LUCA = last universal common ancestor

Classificação e nomenclatura www.tolweb.org

Classificação e nomenclatura Classificação hierárquica na biologia com oito ranks principais Archaea Crenarchaeota Thermoprotei Sulfobolales Sulfobolaceae Sulfolobus solfataricus Isolado do vulcão Solfatara, perto de Nápoles, Itália

Diversidade microbiana Estimativas do número de bactérias 40 milhões de bactérias em 1 g de solo 5 x 1030 bactérias na terra Massa muito > que a massa de plantas e animais http://en.wikipedia.org/wiki/File:SalmonellaNIAID.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/bacteria

Diversidade microbiana Estimativas do número de Archaea Número desconhecido de espécies Muitos são extremófilos Organismos de onde se originaram os eucariotos? http://en.wikipedia.org/wiki/Archaea

Diversidade microbiana Estimativas do número de fungos 1,5 milhão de espécies (Hawskworth 2001) 5,1 milhão (Blackwell 2011) Um pouco mais de 100.000 espécies descritas Indivíduo pode ter várias toneladas (Armillaria solidipes- Oregon) – 20 km2 ou ± 1000 ha, sendo estimado que tem cerca de 2.400 anos com uma massa de ± 605 toneladas http://en.wikipedia.org/wiki/Armillaria_solidipes http://en.wikipedia.org/wiki/fungi

Diversidade microbiana Estimativas do número de Protozoários ± 200.000 espécies no planeta (Adl et al., 2005) 30 a 40 filos Uni ou multicelulares http://en.wikipedia.org/wiki/File:Protist_collage.jpg

Diversidade microbiana Estimativas do número de algas microscópicas ± 6.000 espécies no planeta (Thomas, 2002) 30 a 40 filos Uni ou multicelulares http://en.wikipedia.org/wiki/File:Intertidal_greenalgae.jpg

Diversidade microbiana Estimativas do número de animais microscópicos Inclui o zooplâncton e as planarias Número de espécies desconhecido Importância para peixes e outros animais aquáticos http://en.wikipedia.org/wiki/File:Antarctic_krill_(Euphausia_superba).jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hyperia.jpg

Diversidade microbiana Estimativas do número de vírus 1031 vírus no planeta (Breitbart & Rohwer, 2005) ± 2600 tem sido descritos em detalhe Grande maioria bacteriófagos http://en.wikipedia.org/wiki/File:HepC_replication.png

Conceitos de espécie Morfológico: usa apenas características morfológicas. Indivíduos agrupados em função de similaridades e distinguidos entre si em função de descontinuidade de caracteres Biológico (Dobzhansky 1937, Mayr 1942, 1965): população natural ou população de indivíduos com potencial de cruzar entre si e que estão isolados reprodutivamente de outras populações. Não se aplica a indivíduos com reprodução assexuada, como é o caso de muitos fungos Ecológico: um grupo de organismos adaptados a um determinado recurso, nicho, ou ambiente Filogenético (Hibbett): grupo de indivíduos que tem relação genética determinada via meios filogenéticos Filogenético (cladístico): grupo de indivíduos que tem o mesmo ancestral comum. Mantém sua integridade com respeito a outras linhagens tanto no tempo quanto no espaço Genético: indivíduos ou população com DNA similar. Formas de detecção: hibridização, fingerprinting, etc. Fenético: baseado nos fenótipos

Conceito de espécie em Microbiologia De Queiroz - ‘‘espécies são linhagens de metapopulações” (Ernst Mayr and the modern concept of species – PNAS, May 2005)

Conceito de espécie em Microbiologia De Queiroz - ‘‘espécies são linhagens de metapopulações” (Ernst Mayr and the modern concept of species – PNAS, May 2005) Metapopulações são grupos de sub-populações conectadas Uma linhagem pode ser entendida como uma metapopulação que se estende ao longo do tempo e que ocupa uma zona adaptativa mínina não ocupada por nenhuma outra linhagem e que evolui independentemente de todas as outras linhagens distantes de sua confluência Diferentemente de outros conceitos, linhagens metapopulacionais não necessitam ser fenotipicamente distinguíveis ou diagnosticáveis, nem monofiléticas, ou isoladas reprodutivamente, ou ecologicamente divergentes para ser consideradas espécies Microrganismos unidos por força coesiva podem ser caracterizados como pertencentes a uma única espécie

Conceito de espécie em Microbiologia Cohesion (n. lat. cohaerere "stick or stay together") or cohesive attraction or cohesive force is the action or property of like molecules sticking together, being mutually attractive. This is an intrinsic property of a substance that is caused by the shape and structure of its molecules which makes the distribution of orbiting electrons irregular when molecules get close to one another, creating electrical attraction that can maintain a macroscopic structure such as a water drop – wikipedia.org

E então, como definir espécie em microbiologia? Conceito de espécie em Microbiologia E então, como definir espécie em microbiologia?