MICROBIOLOGIA

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

2. Grupos de seminários (03/06/2011) 30 min apresentação e 10 min discussão • Rafaela, Everton e Carlos (08:00-08:40) • Tema: Predicting microbial speciesrichness • Bianca, Gislaine e Jair (08:40-09:20) • Tema: RNAs regulators of bacterial virulence • Elisa, Debora, Mariel e Ibeth (09:20-10:00) • Tema: Repulsionofsuperinfectedvirions: a mechanism for rapidvirus spread • Ninna, Mara e Carolina (10:20-11:00) • Tema: Enteric infection meets intestinal function: how bacterial pathogens cause diarrhoe • Douglas, Maiko, Naissa e Ingrid (11:00-11:40) • Tema: Evolutionaryanalysisbywholegenomiccomparisons

3. Surgimento da vida na terra • Atmosfera primitiva • Reduzida: a terra coalescendo devagar, gerando pouco calor, o Fe exposto na superfície capturararia todo o oxigênio molecular. Assim, a atmosfera primitiva seria basicamente constituída de H2O, H2, N, NH3, CH4com pouco CO ou CO2 • Ligeiramente oxidante: 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, sulfitos, NH3, CH4e pouco O2

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. Origem da vida na terra • A 4,6 bilhões de anos a terra era um lugar inospitável http://en.wikipedia.org

9. Origem da vida na terra • 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 anaeróbicos termofílicos • Como eles chegaram aqui?

10. Teorias sobre a origem da vida na terra • A sopa primordial: propõe que os primeiros organismos eram organotróficostermofílicos anaeróbicos (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 • Acumulação de compostos gerou os primeiros “nichos” de vida na terra • Agregação espontâneade lipídios e proteínas (3,9 Ba) propiciou a formação de membranas primitivas e internamente incorporada a combinação certa de componentes químicos orgânicos e inorgânicos

11. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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 e cianetodehidrogênio, precursores da glicina http://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htm

12. Teorias sobre a origem da vida na terra • Mesma condição vista em meteoro (Austrália) e encontrada no espaço sideral • Meteoritos carbonáceos também têm Adenina e Guanina • Onde nascem as estrelas há uma abundância de H2O, NH3, formaldeído e cianeto de H2, 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

13. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teorias de superfície:propõe que os primeiros organismos eram litotróficostermofílicos anaeróbicos que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos inorgânicos • Pirita: http://en.wikipedia.org

14. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teorias de superfície:propõe que os primeiros organismos eram litotróficostermofílicos anaeróbicos que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos inorgânicos • Pirita: • O Fe da pirita apresenta cargas positivas permite a ligação de fosfatos (PO3-4) 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

15. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teorias de superfície:propõe que os primeiros organismos eram litotróficostermofílicos anaeróbicos que obtinham tanto energia quanto o carbono de compostos orgânicos • Partículas de argila: • Graham Cairns-Smith (UniversityofGlasgow) 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 http://environment.uwe.ac.uk/geocal/SoilMech/classification/soilclas.htm

16. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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/

17. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teoria evolucionista/evolutiva • Século XIX duas hipóteses derrubaram 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

18. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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): 618–618

19. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teoria do mundo de RNA • Na verdade essa hipótese vou primeiro sugerida por Carl Woese (Univeristy of Illinois) na década de 60, e mais tarde também adotada 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

20. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teoria do mundo de RNA • No entanto, quem tenta explicar essa teoria encontra um paradoxo • Qual é esse paradoxo?

21. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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 • É muito improvável que ambas originaram-se espontaneamente no mesmo lugar e ao mesmo tempo. • É impossível que um tenha sido gerado sem a presença do outro • Isso gera indícios que, aparentemente, a vida não poderia ter sido gerada através de reações químicas http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/

22. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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 • 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

23. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teoria do mundo de RNA • Como explicar a questão de existir um ancestral comum?

24. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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?

25. Teorias sobre a origem da vida na terra • Teoria da origem dos constituintes do espaço ou de fendas marinhas • Ainda fica a questão de como o RNA foi constituído: sem enzimas é muito difícil sintetizar ribose • Ribose pode ser formada tendo formaldeído como precursor, mas em quantidade ínfimas, sendo inibida por outros açúcares que são produzidos em maior quantidade http://www.akimuralstudio.com/childrens_murals_small_galleries/outer_space/outer_space.jpg http://tallbloke.files.wordpress.com/2011/02/amersham.jpg

26. Teorias sobre a origem da vida na terra • 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

27. 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)

28. 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

29. http://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htmhttp://www.goldiesroom.org/Note%20Packets/21%20Evolution/00%20Evolution--WHOLE.htm

30. 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

31. 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? http://blog.claudiocrow.com.br/album/default/10

32. 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

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

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

35. 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

36. Evolução e os fósseis • It’sjustastounding to seehowconstant, howconserved, certainsequencesmotifs – proteins, genes – havebeen over enormousexpansesof time. Youcanseesequencepatternsthathavepersistedprobably for over threebillionyears. That’sfarlongerthanmountain ranges last, thancontinentsretaintheirshape • 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)

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

38. 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

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

40. Fungos 1,500 Cianobactérias Archaea e Bacteria

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

42. 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 http://en.wikipedia.org vida

43. 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

44. 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) Império Procarioto vida Império Eucarioto http://en.wikipedia.org

45. 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 http://en.wikipedia.org Domínio Archaea vida Domínio Eukarya

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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 • elevado tamanho) 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

50. Classificação e nomenclatura • Os sistemas de classificação • Sociedade Internacional de Protistologistas (2005) http://en.wikipedia.org/wiki/File:Eukaryota_tree.svg