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MICROBIOLOGIA

Evolução e sistemática microbiana Domínios Bacteria e archaea Domínio Fungi Vírus seminários. MICROBIOLOGIA. Admir J. Giachini Andrea de Lima Pimenta Daniel Santos Mansur. Professores:. Grupos de seminários (02/12/2013) 25 min apresentação e 15 min discussão

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Presentation Transcript

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

  2. 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-FungiInteractions • Ana Carolina, Danielle, Vânia, Francisco, Roniele (08:40-09:20) • Artigo: Strategies for mining fungalproducts • Ana Paula M, Mariana M, Victor, Elmahdy, Vagner (09:20-10:00) • Artigo: Poxyvirusesand host antiviral defenses • Anabel, Mariana R, Renato, Ana Paula G, Marília(10:20-11:00) • Artigo: Reprogrammingmicrobestobepathogen-seekingkillers • Bianca, Iris, Roberta, Luana, Greicy(11:00-11:40) • Artigo: Smallmoleculesdisassemblingbiofilms

  3. Origem da vida na terra - biogênese • Biogênese: Omnevivumex vivo (Pasteur, 1864)

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

  5. 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

  6. Origem da vida na terra - biogênese • Período medieval • Teoria da geração espontânea • Século XVII: Buffon e NeedhamxSpallanzani

  7. 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

  8. Origem da vida na terra - biogênese • Estágio 3 • Alexander Ivanovich Oparin (1894-1980) • Oparin: BakhInstituteofBiochemistry in Moscow • Hipóteses de Oparin • Biogênese como discussão científica http://www.valencia.edu/~orilife/textos/The%20Origin%20of%20Life.pdf

  9. 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, CH4com 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, CH4e pouco O2

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

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

  16. 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?

  17. 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/

  18. Teorias sobre a biogênese • A sopa primordial: propõe que os primeiros organismos eram organotróficostermofílicos 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)

  19. 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 cianetodehidrogênio (HCN), precursores da glicina http://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htm

  20. 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 cianetodehidrogênio (HCN), precursores da glicina Miller, Stanley L. (May 1953). "Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions" (PDF). Science117(3046): 528–9. Bibcode1953Sci...117..528M.doi:10.1126/science.117.3046.528. PMID13056598. Miller, Stanley L.; Harold C. Urey (July 1959). "Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth". Science130(3370): 245–51. Bibcode1959Sci...130..245M.doi:10.1126/science.130.3370.245. PMID13668555. Miller states that he made "A more complete analysis of the products" in the 1953 experiment, listing additional results.

  21. Teorias sobre a biogênese • Miller-Urey (Universityof Chicago) • CO2 → CO + [O] (atomicoxygen) • 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)

  22. 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)5e 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)

  23. 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". Nature319 (6055): 618.

  24. 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 http://estudante-de-biogeo-11.blogspot.com/2008_10_01_archive.html Carl Woese http://www.nytimes.com/2007/11/05/us/05orgel.html http://www.astrobio.net/amee/summer_2008/Interviews/AnthonyPooleInterview.php

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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. Teorias sobre a biogênese • Teoria do mundo de RNA • Como explicar a questão de existir um ancestral comum?

  31. 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?

  32. 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)

  33. 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

  34. 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

  35. 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 Io9.com http://tallbloke.files.wordpress.com/2011/02/amersham.jpg

  36. 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 bbc.co.uk ign.com

  37. 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.)

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

  39. Teorias sobre a biogênese • Teorias de superfície:propõe que os primeiros organismos eram litotróficostermofílicos 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

  40. Teorias sobre a biogênese • Teorias de superfície:propõe que os primeiros organismos eram litotróficostermofílicos anaeróbios que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos orgânicos • Partículas de argila: • Graham Cairns-Smith (Universityof 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 • Sevencluestotheoriginoflife (1995) http://environment.uwe.ac.uk/geocal/SoilMech/classification/soilclas.htm

  41. 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

  42. 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

  43. 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)

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. 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

  48. Eucarya Bacteria Archaea

  49. 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

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

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