ESTUDO DOS MICRORGANISMOS E SEUS PROCESSOS IN VIVO Ecologia microbiana ESTUDO DOS MICRORGANISMOS E SEUS PROCESSOS IN VIVO QUEM? ONDE? O QUE FAZEM? COMO FAZEM?

Apresentação da disciplina Objetivos Importância dos microrganismos no planeta Processo evolutivo da vida Sustentabilidade do planeta Técnicas utilizadas Breve histórico

Ecologia microbiana Estuda os microrganismos e sua interação com o ambiente biótico e abiótico. Interações: MICRORGANISMOS - MICRORGANISMOS MICRORGANISMOS - MACRORGANISMOS MICRORGANISMOS - AMBIENTE FATORES BIÓTICOS FATORES ABIÓTICOS

Objetivos 1. Estudo da diversidade microbiana 2. Manejo da diversidade para melhorar a qualidade de vida (do homem e todos os seres do planeta) Usar diversidade de forma sustentável

Importância dos microrganismos Microrganismos e evolução

Origem da vida Existem apenas especulações sobre a origem da vida na Terra. O estudo dos fósseis nos permite indicar de forma aproximada a época do surgimento dos primeiros organismos celulares. Grandes questões: A vida apareceu espontaneamente? Como eram constituídos os primeiros organismos vivos?

Origem da vida Evidências sugerem: Vida se originou espontaneamente de uma “sopa pré biótica” composta por substâncias químicas simples, em ambiente marinho. Um mundo composto por RNA (serviu como molécula hereditária e catalisadora de reações bioquímicas)

Estudos sugerem que as primeiras formas de vida foram MICROBIANAS Evolução COMO CHEGAMOS A ESTE PONTO NA EVOLUÇÃO? Estudos sugerem que as primeiras formas de vida foram MICROBIANAS Microrganismos são simples e constituem MODELOS para entendimento de como o processo evolutivo funcionou.

Teorias científicas devem explicar Paradoxo FOI REFUTADA A TEORIA DA GERAÇÃO ESPONTÂNEA PORÉM AS PRIMEIRAS FORMAS DE VIDA SE ORIGINARAM DE SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS (NÃO VIVAS)? E agora? PORQUE ESTES MECANISMOS NÃO OPERAM ATUALMENTE? Teorias científicas devem explicar

PRINCIPAIS EPISÓDIOS DA HISTÓRIA DA TERRA 4.500 Origem da Terra Solidificação da crosta Terrestre Origem da vida ? Fóssil procarionte mais antigo 3.500 2.700 Acúmulo de oxigênio na atmosfera devido as cianobactérias Evidência dos primeiros organismos terrestres na África do Sul 2.600 Fóssil eucarionte mais antigo MILHÕES DE ANOS 1.500 1.200 Fóssil do organismo terrestre mais antigo 500 Plantas colonizam Terra Era Paleozóica Extinção dos dinossauros Era Mesozóica Primeiros Humanos Era Cenozóica

Evolução do cosmos UNIVERSO: 10-20 bilhões de anos SISTEMA SOLAR: 4,5-4,6 bilhões de anos TERRA- 4,1 bilhões de anos Evolução do cosmos

Terra prebiótica Sopa primordial Estabilidade da sopa na ausência de oxigênio Síntese abiótica Polimerização e formação de moléculas maiores Moléculas simples

MICROGANISMOS SÃO RESPONSÁVEIS PELO AMBIENTE DO PLANETA ATUAL Vida sem oxigênio                                                                  Dados geológicos indicam a terra no inicio como uma bola de fogo e a atmosfera diferente da atual (SEM OXIGÊNIO) Todo o oxigênio foi produzido por microrganismos Portanto ½ do tempo de existência da terra não havia oxigênio MICROGANISMOS SÃO RESPONSÁVEIS PELO AMBIENTE DO PLANETA ATUAL O OXIGÊNIO É VENENOSO GERANDO H2O2 E RADICAIS IVRES... ALGUNS MICROGANISMOS ATÉ HOJE NÃO CONSEGUEM LIDAR COM O2 VENENOSO E EVITAM-NO!

O início da vida 1. Os microrganismos literalmente “criaram” as condições ambientais atuais na Terra. 2. Eles vem evoluindo e explorando nichos durante um longo período: extrema diversidade e divergência. 3. A velocidade de crescimento microbiana favorece o processo evolutivo.

Comparação entre condições na Terra e outros planetas Fonte: Lovelock,1979 Atmosfera Marte Vênus Terra Sem vida Com vida CO2 (%) 95 98 0,03 N2 (%) 2,7 1,9 79 O2 (%) 0,13 Traço 21 Temperatura (°C ) -53 477 290 13

Lovelock,1979 Hipótese de Gaia Terra é um super-organismo que através de suas atividades bioquímicas (sobretudo derivadas dos microrganismos) tem propriedades auto-reguláveis (favoráveis a vida) através de um sistema complexo de controle. - Presença de elevado CO2 (capacidade retentora de calor) - Abaixamento de CO2 redução de temperatura As reações do planeta às ações humanas podem ser entendidas como uma resposta auto-reguladora.

O2 cianobactérias Fósseis “red beds” Surgimento das cianobactérias fotossintetizantes Fósseis “red beds” Esta rocha é um fóssil Na Terra primitiva (sem oxigênio) ou em ambientes atuais anóxicos, sedimentos ricos em ferro tem cor preta, na forma reduzida (sulfeto de ferro) oxidaram ferro (cor ferrugem) Somente depois desse processo o oxigênio começou a acumular na atmosfera, pois antes era totalmente consumido. cianobactérias O2

A acumulação de oxigénio molecular criou a necessidade de estruturas protetoras contra esse gás altamente agressivo. Os dados geofísicos indicam que o oxigénio molecular surgiu gradualmente na atmosfera há cerca de 2000 M.a. (Red beds) O oxigênio molecular é um veneno para os organismos que não disponham de mecanismos protetores (catalase ou peroxidase, por ex.) O oxigênio teve um papel fundamental no desenvolvimento e “complicação” das estruturas biológicas: - capacidade de divisão celular depende da formação do complexo actina-miosina, impossível sem oxigênio; - síntese de esteróis, ácidos graxos e colágeno é impossível sem oxigênio; - metabolismo aeróbio fornece mais de 15 vezes mais energia que o anaeróbio; - camada de ozônio permitiu a vida em terra.

Teoria da endosimbiose Bactérias obtiveram inicialmente a capacidade de respiração oxidativa. Eucariontes surgiram tornando as bactérias (mitocôndrias e cloroplastos) seus simbiontes. Alguns eucariontes vivem sem oxigênio (ou sem mitocôndria) Ex: Giardia- protista aquático

Spirulina CIANOBACTÉRIAS Spirulina é comum em habitats aquáticos Biomassa verde na superficie do solo e sedimentos. Quantas células seriam necessárias para mudar a composição da terra como aconteceu há bilhões de anos atrás? Spirulina

Produção de oxigênio ao longo do tempo

Evolução da vida

O futuro?

Na sustentabilidade

Compostagem Reciclagem

Biorremediação

Exobiologia EXISTE VIDA EM OUTROS PLANETAS? CASO EXISTA PODERÁ SER MICROBIANA VIDA EM MARTE? CERTAMENTE O CONHECIMENTO DA VIDA MICROBIANA PODERÁ NOS DAR SUBSIDIOS IMPORTANTES SOBRE A VIDA EXTRATERRESTRE.

Diversidade Muitos anos de evolução criaram uma diversidade microbiana enorme. Compreender esta riqueza coloca nossa vidas em perspectiva e atribui respeito pelas restantes formas de vida. Esta diversidade é pouco conhecida. O número estimado de bactérias chega a UM MILHÃO, estando apenas 4.200 espécies descritas. Apenas recentemente ficaram disponíveis os recursos para estudo da sistemática microbiana. Estimativas indicam que conhecemos hoje MENOS DO QUE 1% DA DIVERSIDADE MICROBIANA.

Relação entre os seres Classificação Microrganismos e outros seres Semelhanças Diferenças Níveis Classificação

Histórico

Aristóteles Grécia (300 a.C.) Diversas contribuições para a ciência Primeiro a articular a dicotomia entre os seres vivos classificou-os em: plantas e animais. Mais tarde (1590) o microscópio foi descoberto e verificou-se que a classificação não incluía os “animálculos” de Leeuwenhoek.

Lineu Como enquadrar os microrganismos? Viveu no século 18 e criou a hierarquia na classificação da vida: REINO, FAMÍLIA, CLASSE, ORDEM,GENERO, ESPÉCIE Baseado no fenótipo Ainda hoje a definição de espécie tal como se refere aos animais é difícil de aplicar.   Como enquadrar os microrganismos?

Charles Darwin Séc. 19, pai da seleção natural e evolução Ajudou a visualizar a genealogia da vida através de linhagens e ramificações. Conceito de evolução dos organismos e ramificações. Ernst Haeckel Árvore da vida (contemporâneo de Darwin) Primeiro a usar o termo "protista" onde ele incluiu as bactérias.

Haeckel Primeiro a descrever as relações entre os seres vivos usando árvore da vida Definiu 3 reinos: Plantas Animais UM TERCEIRO REINO PARA OS MICRORGANISMOS Protista. Postulou ainda uma origem comum para todos os seres concordando este postulado com as evidências moleculares recentemente descobertas.

A Árvore da Vida (The Tree of Life) Haeckel reconheceu que a divisão em plantas e animais era incompleta. Adicionou os protistas (Reino Protista)

AS CLASSIFICAÇÕES Copeland em 1938 reconheceu que bactérias deveriam incluir seu próprio reino ............. MONERA Chatton, em 1938, estabeleceu a dicotomia: PROCARIONTES E EUCARIONTES Whittaker em 1959 criou os 5 reinos

Cinco reinos: Whittaker (1960) adicionou um reino (Fungi) a visão de Aristóteles (plantas e animais) Mas relegou os microrganismos para: PROTISTA (MICRORGANISMOS EUCARIONTES) MONERA (MICRORGANISMOS PROCARIONTES)

A revolução de Woese               Baseou sua classificação em moléculas (não no fenótipo) FENÓTIPO GENÓTIPO Descobriram uma enorme diferença genética entre alguns PROCARIONTES WOESE DENOMINOU ESTE GRUPO ARCHAEA (primitivos) MAIS TARDE SE VERIFICOU QUE ESTE GRUPO ERA MAIS PRÓXIMO DOS EUCARIONTES EM MUITOS ASPECTOS DO QUE DAS BACTÉRIAS Taxonomia Filogenia Relações evolutivas Moléculas são documentos da história evolutiva,1965 DOMÍNIOS Eucarya, Archaea e Bacteria

Por quê o uso de rRNA? RNA ribossômico (rRNA) é um componente do ribossoma, a máquina celular que traduz o DNA do código genético em aminoácidos e depois em proteínas. Os genes rRNA estão presentes em todas as formas de vida, sendo suficientemente conservados . Mas, contendo variabilidade suficiente para determinar relações evolutivas.

Definições básicas sobre relações evolutivas Filogenia = genealogia de um grupo como espécie (se for genealogia dos genes se refere a existência de um gene ancestral comum) Filogenia difere de taxonomia ? Taxonomia = classificação, nomear Obs: Alguns cientistas indicam que taxonomia deve refletir a filogenia

Bacteria, Archaea e Eucarya Uma árvore filogenética indica hipóteses sobre relações A árvore ilustra a hipótese de que todas as formas de vida estão relacionadas e divididas em TRÊS grupos denominados domínios: Bacteria, Archaea e Eucarya

A árvore universal da vida, Woese et al., 1990

O que esta árvore indica? B C Homológo = características resultante de um ancestral comum O que esta árvore indica? B e C são mais semelhantes entre si do que qualquer um deles com A 2. B e C devem dividir alguma característica homóloga que falta em A 3. A divergência entre A e B/C ocorreu antes da divergência entre B e C

A árvore da vida baseada em filogenia de rRNA indica: 1. Vida bacteriana foi a primeira forma 2. Primeiros 3 bilhões de anos a vida foi de seres unicelulares 3. Eucariontes unicelulares datam de há 2 bilhões de anos

A árvore baseada em rRNA provê uma filogenia, mas outras moléculas sugerem outras filogenias. Ex: rRNA sugere que Eucarya seja mais relacionada com Archaea do que com Bacteria. Mas, genomas de mitocôndrias e cloroplastos sugerem a origem a partir das bactérias (não árqueas). ??? Nas bactérias, genes que codificam para a fixação de nitrogênio, sugerem filogenias diferentes daquelas a partir do rRNA.

Transferência lateral

O “arbusto da vida”

Instrumentos técnicos

Instrumentos técnicos

Técnicas Tradicionais Modernas Metaboloma Metagenoma - Enriquecimento e cultivo - Amostragem do ambiente - Detecção no ambiente Fenotípica, Perfil lipídios - Enumeração de microrg. Medidas da atividade - Microscopia Eletrônica Confocal - Detecção molecular Sondas, FISH - Análise de comunidades PCR, DGGE

Técnicas tradicionais Isolamento Cultura pura

Níveis de informação ambiental Culturas puras - Usam UMA espécie em cultura Informações ambientais restritas porém importantes em estudos básicos Estudos in situ Comunidades no habitat Requer tecnologias modernas Microcosmos - Usa amostra ambiental e permite a manipulação de parâmetros ambientais Permite o monitoramento de respostas

Cientistas que contribuíram

Alguns nomes Sergei Winogradsky Martinus Beijerinck Conceito da quimioautotrofismo microbiano Fundador da Microbiologia do solo Martinus Beijerinck Conceito de culturas de enriquecimento Fixação de N simbioticamente e não simbioticamente Mullis, Brock, Bartha, Atlas, .....