Fatores bióticos: Interações microbianas Interações: espécies, populações e comunidades. Sucessão ecológica

Fatores Bióticos biótico (bio=vida) Em ecologia, chamam-se fatores bióticos a todos os elementos causados pelos organismos em um ecossistema que condicionam as populações que o formam. Exemplo: a existência de uma espécie em número suficiente para assegurar a alimentação de outra condiciona a existência e a saúde desta última. Muitos dos fatores bióticos podem traduzir-se nas relações ecológicas que se podem observar num ecossistema, tais como a predação, o parasitismo ou a competição. Estrutura: produtores microconsumidores macroconsumidores

Níveis de organização (Odum, 1988)

Indivíduos: são os organismos Escalas e conceitos Indivíduos: são os organismos Populações: grupo de indivíduos com características comuns – origem comum (ancestralidade) Comunidades: consiste de um maior ou menor número de populações ocupando um habitat particular. Ex: comunidade da rizosfera, do rúmen Ecossistemas: compreende a comunidade junto com seu ambiente físico Biosfera: compreende todos os meios ambientes e organismos na superfície da Terra.

Espécie Membros de um agregado que trocam material genético em condições naturais Estirpes que incluem cerca de 70 % ou mais de homologia no seu DNA.

População Grupo de microrganismos da mesma espécie que ocupam uma determinada área. (mesma constituição genética, usam os mesmos substratos, ocupam o mesmo nicho ecológico). Funcionam como UMA PARTE da comunidade biológica.

Atributos das populações Densidade 2. Velocidade de crescimento e mortalidade 3. Potencial biótico (máx. capacidade de reprodução: crescimento exponencial) 4. Padrões internos de distribuição 5. Estratégias de otimização energética (K e r) 6. Dispersão

Estratégias de crescimento e sobrevivência Adaptações estruturais Lagos alcalinidade extrema Lagos salinidade extrema Emanações termais Solos desérticos. Adaptações nutricionais Populações K e r  

Estratégia de reprodução r/K refere-se a um modelo de seleção de características biológicas que promovem o sucesso em determinados ambientes. As pressões seletivas orientam a evolução para duas direções: à selecão r ou à seleção K. Estes termos derivam da álgebra ecológica padrão, como é ilustrado na simples equação da dinâmica populacional:                      onde N = população, r = crescimento populacional e K = capacidade de carga (freio) do ambiente. Em termos gerais, as espécies com estratégia demográfica “r” exploram nichos ecológicos vazios, e produzem um elevado número de descendentes a cada ciclo reprodutivo. Por contraste, as espécies com estratégia demográfica “K” são tipicamente competidoras com outras espécies, em nichos já bem preenchidos, investindo mais numa descendência com uma maior probabilidade de sobrevivência.

Estrategias de crescimento e sobrevivência Estrategista r Estrategista K Elevada velocidade de reprodução Baixa velocidade de reprodução Elevado nível nutricional permite competitividade Baixo nível nutricional limitando populações Elevadas populações Baixas populações Amplas flutuações populacionais Números mais baixos, porém constantes Ex: “blooms” de cianobactérias quando aumentam os fosfatos Pseudomonas quando aumenta fonte de C Ex: Spirillum e Vibrio em águas marinhas Bactérias que produzem prosteca em lagos oligotróficos

Interações dentro da população Princípio de Allee - interações dentro da população são dependentes da densidade Competição Cooperação Interações positivas- aumentam a velocidade de crescimento Interações negativas- reduzem a velocidade de crescimento Interaç Baixas populações Altas populações

(dose minima infectiva) Cooperação Patogenicidade associada a DMI (dose minima infectiva) Na natureza são frequentemente observadas microcolônias em vez de células isoladas. Uma célula raramente supera as barreiras de defesa

Na cooperação ocorrem MENOS eficiente Um inibidor é em culturas densas Trocas genéticas que permitem: resistência a antibióticos resistência a metais a utilização de substratos orgânicos incomuns Um inibidor é MENOS eficiente em culturas densas do que em culturas diluídas Transformação, conjugação e transdução são mais eficientes em altas densidades do que em baixas densidades celulares.

Comunidade Conjunto de populações que ocorrem juntas no tempo e espaço. Grupo de diferentes espécies que exploram de forma semelhante os mesmos recursos ambientais (Guildas) (Existem muitas definições de comunidade)

Comportamento coletivo Praticamente todos os conhecimentos microbiológicos foram adquiridos a partir do estudo de organismos em culturas puras. Somente há alguns anos entendeu-se que a maioria das bactérias se encontra na natureza vivendo em comunidades. O tipo de "ecologia" com células individuais crescendo de maneira planctônica raramente é encontrado na natureza. Sabe-se atualmente que as bactérias são encontradas em comunidades de diferentes graus de complexidade, geralmente compondo um biofilme.

Atributos (qualidades) das comunidades Auto-regulação Sinergismo Comunalismo Homeostasis

Auto-regulação e sinergismo Auto-regulação (autopoiese) Capacidade de definir espontaneamente uma estrutura (composição das espécies), uma arquitetura (arranjo espacial das espécies) e sua manutenção. Sinergismo Capacidade de conversão mais eficiente de recursos abióticos em recursos bióticos da comunidade quando em associação do que individualmente. Quorum sensing

Comunalismo e homeostase Formação de ecótones (zonas de contato ou faixas de tensão entre diferentes populações de uma comunidade). Constituição de um micro-ambiente favorável inserido em um macro-ambiente desfavorável. Quando a luz solar é intensa e a temperatura atmosférica sobe, o fitoplâncton da superfície oceânica prolifera e produz mais dimetilo de enxofre, que age como núcleo de condensação de nuvens conduzindo à produção de mais nuvens e ao aumento do albedo do planeta.

Processo de sensoriamento químico dependente da densidade populacional Qual o “gatilho” para a formação da comunidade? Quorum sensing Processo de sensoriamento químico dependente da densidade populacional QUORUM - número mínimo de participantes requeridos para que uma ação possa ocorrer.

Como funciona? Densidade Sinais químicos Agregação

Quorum sensing - luminescência Simbiose entre animal marinho e Vibrio Sinal-AHL (lactona)

O mecanismo de Quorum Sensing Realizado por meio de pequenas moléculas, denominadas autoindutores (AI). Em Gram negativos os autoindutores são do tipo N-acil homoserina lactonas (AHL), pequenas moléculas que se difundem livremente para dentro e para fora das células. Em Gram positivos, correspondem a pequenos petídeos que se ligam a receptores localizados na superfície das células bacterianas. Etapas: Durante o crescimento, todas as células produzem e liberam uma pequena quantidade de autoindutores. Quando a população se encontra no meio da fase logarítmica ou no início da fase estacionária, a quantidade de autoindutor alcança uma concentração limite, suficiente para disparar o processo de alteração da expressão gênica.

Funções controladas por QS Frutificação em fungos Produção de antibióticos por Streptomyces Competência genética em Streptococcus (a capacidade de captar DNA do meio) Diferenciação dos biofilmes de Pseudomonas aeruginosa Transferência de DNA para outros organismos Expressão de fatores de virulência Formação de heterocistos em Anabaena (fixação de N)

Como as comunidades se formam? Perspectiva ecológica célula Redutor de sulfato População 1 Oxidantes do S População 2 Interdependencia Guildas

Comunidades Biofilmes 80 % infecções hospitalares Comunidades Biofilmes Sub-superfícies (profundezas terestres) Trato gastro-intestinal de mamíferos e insetos Bolsas sub-gengivais, dentes Ventarolas hidrotermais Rizosfera Ductos, tratamento de água e efluentes Implantes médicos (marca-passos, cateteres, orgãos artificiais: válvulas cardíacas e endocardites)

Nem todo o mundo pretende destruir os biofilmes ...

Comunidades microbianas Maioria Importantes na saúde, indústria, biotecnologia e ambiente Biofilmes Comunidades complexas de microrganismos associadas à superfícies ou interfaces Podem incluir bactérias, fungos, protozoários e outros microrganismos. (Biofilm Institute - http://www.biofilm.org/)

Formação do biofilme 5 estágios Início “Quorum sensing”

BIOFILME (Http://www.edstrom.com/waterqualitybulletins.cfm)

Biofilme Klebsiella pneumoniae e Pseudomonas aeruginosa

Onde se formam os biofilmes? Região alpina Superfícies úmidas Superfícies dos tecidos em seres vivos Interfaces líquido-ar Bacteria Algas Polímero

“Tapetes” microbianos Tapetes microbianos são comunidades compostas principalmente de procariotos fotossintetizantes The principle distinction between microbial mats and other biofilms is their dependence on photosynthesis as their primary source of energy.

Biofilmes em seres vivos Microrganismos no intestino de ratos Placa dentária corada com iodo

Plantas Rizobacteria

Como impedir a formação de biofilmes? Furanonas naturais (algas) interferem com AHL Síntese de anti-biofilmes Cobrir as superfícies com drogas anti-biofilmes Sensibilizar as bactérias nos biofilmes aos antibióticos

Dificuldades técnicas para análises in situ Informações escassas Comunidades microbianas complexas Dificuldades técnicas para análises in situ Cultivo?

Construção de livrarias clonais Metagenômica (Análise funcional das seqüencias nucleotídicas da coletividade de genomas microbianos existentes em uma determinada amostra ambiental) Estudo de microbiota não cultivável (99%) Sequenciamento “shotgun” do DNA total da amostra ambiental (WGS) Construção de livrarias clonais Outras Microarranjos Proteômica filtro Seleção de sequências funcionais

Metagenômica Comunidades estudadas complexo simples 1,2 milhões novos genes, 148 novas espécies

O paradigma das culturas puras Crescimento planctônico Fisiologia Patogênese Estudos in vitro Crescimento bacteriano em cultura pura em meio líquido

Artefato Koch, e a descoberta dos meios sólidos Gerações de microbiologistas basearam suas descobertas em cultura puras. NA NATUREZA raramente os microrganismos se encontram na forma de culturas puras

A evolução das comunidades Sucessões

Sucessão na comunidade UMA COMUNIDADE EVOLUI COM TEMPO ESTABILIDADE Depende: Interações Inter-relações Adaptações

O que são sucessões? Tipos Primárias - habitat não colonizado Mudanças sequenciais organizadas nas populações de uma comunidade. Primárias - habitat não colonizado Ex: trato gastrointestinal de recém nascido Tipos Secundárias - habitat com prévia colonização Ex: Solo agrícola

Exemplo de sucessões Comunidades do trato GI humano O trato GI do recém nascido é estéril. Pioneiros (Lactobacillus) colonizam (sucessão primária) crescem e mudam ambiente. Anaeróbios facultativos (E. coli e S. faecalis) substituem os pioneiros (sucessão secundária). Bacteroides dominam a comunidade CLÍMAX – estágio final de equilíbrio, depois da ingestão de alimentos sólidos. Em RUMINANTES a comunidade clímax inclui decompositores de celulose (Bacteroides, Ruminococcus), degradadores de proteína (Veillonella), degradadores de amido (Selenomonas), e produtores de metano (Methanobacterium).

Atributos das sucessões microbianas Flutuações amplas Dificilmente atingem o clímax Extinção Emigração Mudanças ambientais

Interações (entre populações) nas comunidades Negativas Competição: Nutrientes Inibição germinação dos esporos no solo (fungistase) Modificações na composição da atmosfera Amensalismo: produção de substâncias inibitórias ou tóxicas Predação por protozoários e invertebrados Parasitismo nas espécies pioneiras ou colonizadores subsequentes

Positivas Sinergismo (denominado sintrofismo ou protocooperação) Intercâmbio de compostos entre duas populações, favorecendo a ambos, sem ocorrência de simbiose. Animais e microrganismos degradadores de celulose Térmitas Rúmen Algas-invertebrados Outras: Comensalismo (aproveitamento dos resíduos) Mutualismo ou simbiose (fungos e algas)

Populações da comunidade interações positivas Protocooperação (mutualismo facultativo) Associação não é obrigatória Traz benefícios a ambas populações A e B Sinergismo- Síntese de um produto ou via metabólica (sintrofismo) que nenhuma das populações é capaz de fazer isoladamente.

Relações hospedeiro-microrganismos Parasitismo Comensalismo Não danificam (ou clinicamente não aparente) após infecção primária (início da vida)