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 (de 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 Vida sem oxigênio                                                                  Dados geológicos indicam o planeta no início como uma bola de fogo e a atmosfera 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 ATUAL DO PLANETA O OXIGÊNIO É VENENOSO GERANDO H2O2 E RADICAIS IVRES... ALGUNS MICROGANISMOS ATÉ HOJE NÃO CONSEGUEM LIDAR COM O2 E EVITAM-NO!

O início da vida 1. Os microrganismos “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 Vênus Terra Sem vida Marte Com vida CO2 (%) 98 95 0,03 N2 (%) 1,9 2,7 79 O2 (%) Traço 0,13 21 Temperatura (°C ) 477 290 -53 13 “Os organismos individuais não somente se adaptam ao ambiente físico, mas, através da sua ação conjunta nos ecossistemas, também adaptam o ambiente geoquímico segundo as suas necessidades biológicas”

Lovelock,1979 Hipótese de Gaia Terra é um superorganismo 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.

Surgimento das cianobactérias fotossintetizantes A diminuição dos compostos orgânicos nos mares primitivos pode ter direcionado a evolução para o surgimentos de organismos autotróficos. 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) O2 cianobactérias Fósseis “red beds”

Os dados geofísicos i(Red beds) indicam que o oxigênio molecular surgiu gradualmente na atmosfera há cerca de 2000 M.a. - É um veneno para os organismos que não dispõem de mecanismos protetores. - Seu acúmulo criou a necessidade de estruturas protetoras contra esse gás altamente agressivo (catalase ou peroxidase, vitamina C ...) - Outra opção foi se esconder do oxigênio. O oxigênio teve um papel fundamental no desenvolvimento e “complicação” das estruturas biológicas: - A 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 no solo.

Produção de oxigênio ao longo do tempo Quantas células seriam necessárias para mudar a composição da terra como aconteceu há bilhões de anos atrás?

Teoria da endosimbiose As bactérias obtiveram por primeiro a capacidade de respiração oxidativa. Os eucariontes surgiram tornando as bactérias (mitocôndrias e cloroplastos) seus simbiontes. Alguns eucariontes vivem sem oxigênio (ou sem mitocôndria) Ex: Giardia- protista aquáticos (todos parasitas)

CYANOBACTERIA (do grego: cyano, azul + bacteria, bactéria): filo do domínio Bacteria, Cianobactérias inclui organismos aquáticos, unicelulares e fotossintéticos. Possuem forma de cocos, bastonetes e filamentos, apresentando coloração azul em condições ótimas, mas frequentemente encontradas com coloração verde oliva a verde-azulado.[2] Biomassa verde na superfície do solo e sedimentos. A Spirulina é rica em proteína, vitamina A, ferro, cálcio, magnésio, fósforo e em micro minerais.

Evolução da vida

E o futuro?

Na sustentabilidade Como os microrganismos atuam na sustentabilidade do planeta.

Reciclagem Compostagem

Biorremediação No passado a poluição era um problema de diluição. Hoje a atividade humana é tão intensa que essa idéia não é mais admissível.

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

Diversidade Muitos anos de evolução criaram uma enorme diversidade microbiana. Compreender essa 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. Estimativas indicam que conhecemos MENOS DO QUE 1% DA DIVERSIDADE MICROBIANA.

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

Histórico

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

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

Charles Darwin Séc. XIX, seleção natural e evolução como modelo central para a Biologia Ajudou a visualizar a genealogia da vida através de linhagens e ramificações. Contribuiu para a visão recente da utilização da genética molecular na comparação de códigos genéticos Ernst Haeckel Árvore da vida (contemporâneo de Darwin) Primeiro a usar o termo "protista" onde ele incluiu as bactérias para resolver o dilema do sistema de Lineu

Haeckel Primeiro a descrever as relações entre os seres vivos usando a 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 Chatton em 1937 estabeleceu a dicotomia: PROCARIONTES E EUCARIONTES “dois impérios” Copeland em 1956 reconheceu que bactérias deveriam ter seu próprio reino: MONERA Whittaker em 1969 criou os 5 reinos. Considerando a ecologia e não filogenia - tipo de célula, procariótica ou eucariótica; - organização celular, unicelulares ou pluricelulares; - tipo de nutrição, autotróficos ou heterotróficos - interação nos ecossistemas

Cinco reinos: Whittaker 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 Eucarya, Archaea e Bacteria FENÓTIPO GENÓTIPO        Baseou sua classificação nas moléculas (não no fenótipo) FENÓTIPO GENÓTIPO Descobriu-se uma enorme diferença genética entre alguns PROCARIONTES WOESE DENOMINOU ESTE GRUPO ARCHAEA (primitivo) MAIS TARDE SE VERIFICOU QUE ESTE GRUPO ERA MAIS PRÓXIMO DOS EUCARIONTES EM MUITOS ASPECTOS DO QUE DAS BACTÉRIAS Taxonomia Taxonomia Filogenia Relações evolutivas Eucarya, Archaea e Bacteria

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

A árvore filogenética A árvore ilustra a hipótese de que todas as formas de vida estão relacionadas e divididas em TRÊS grupos denominados domínios.

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

O que esta árvore indica? B C 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 Homológo = características resultante de um ancestral comum

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 2 bilhões de anos atrás

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 que Eucarya seja mais relacionada com Bacteria. ??? 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 de 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