Em formação

7.20: Cultivo de procariotos - Biologia


Microbiologistas normalmente cultivam procariontes em laboratório usando um meio de cultura apropriado contendo todos os nutrientes necessários para o organismo-alvo. Após um tempo de incubação na temperatura certa, deve haver evidências de crescimento microbiano (Figura 1).

O processo de cultivo de bactérias é complexo e é uma das maiores descobertas da ciência moderna. O médico alemão Robert Koch tem o crédito de descobrir as técnicas para cultura pura, incluindo a coloração e o uso de meios de crescimento. Seu assistente Julius Petri inventou a placa de Petri, cujo uso persiste nos laboratórios de hoje. Koch trabalhou principalmente com o Mycobacterium tuberculosis bactéria que causa a tuberculose e desenvolveu postulados para identificar organismos causadores de doenças que continuam a ser amplamente utilizados na comunidade médica. Os postulados de Koch incluem que um organismo pode ser identificado como a causa da doença quando está presente em todas as amostras infectadas e ausente em todas as amostras saudáveis, e é capaz de reproduzir a infecção após ser cultivado várias vezes. Hoje, as culturas continuam sendo uma ferramenta diagnóstica primária na medicina e em outras áreas da biologia molecular.

Alguns procariontes, entretanto, não podem crescer em um ambiente de laboratório. Na verdade, mais de 99% das bactérias e arqueas não podem ser cultivadas. Na maior parte, isso se deve à falta de conhecimento sobre como alimentar esses organismos e como cultivá-los; eles têm requisitos especiais de crescimento que permanecem desconhecidos dos cientistas, como a necessidade de micronutrientes específicos, pH, temperatura, pressão, cofatores ou co-metabólitos. Algumas bactérias não podem ser cultivadas porque são parasitas intracelulares obrigatórios e não podem ser cultivadas fora de uma célula hospedeira.

Em outros casos, organismos cultiváveis ​​tornam-se incultivos sob condições estressantes, embora o mesmo organismo pudesse ser cultivado anteriormente. Aqueles organismos que não podem ser cultivados, mas não estão mortos estão em um viável, mas não cultivável (VBNC) estado. O estado VBNC ocorre quando procariontes respondem a estressores ambientais entrando em um estado dormente que permite sua sobrevivência. Os critérios para entrar no estado VBNC não são completamente compreendidos. Em um processo chamado ressuscitação, o procarioto pode voltar à vida “normal” quando as condições ambientais melhorarem.

O estado VBNC é uma forma incomum de vida para procariontes? Na verdade, a maioria dos procariontes que vivem no solo ou em águas oceânicas não são cultiváveis. Foi dito que apenas uma pequena fração, talvez um por cento, dos procariotos pode ser cultivada em condições de laboratório. Se esses organismos não podem ser cultivados, como saber se eles estão presentes e vivos? Microbiologistas usam técnicas moleculares, como a reação em cadeia da polimerase (PCR), para amplificar porções selecionadas do DNA de procariotos, demonstrando sua existência. Lembre-se de que o PCR pode fazer bilhões de cópias de um segmento de DNA em um processo chamado amplificação.


Cultura microbiológica

UMA cultura microbiológica, ou cultura microbiana, é um método de multiplicação de organismos microbianos, permitindo que se reproduzam em meio de cultura predeterminado sob condições controladas de laboratório. As culturas microbianas são métodos diagnósticos básicos e fundamentais usados ​​como uma ferramenta de pesquisa em biologia molecular.

As culturas microbianas são usadas para determinar o tipo de organismo, sua abundância na amostra testada ou ambos. É um dos principais métodos de diagnóstico da microbiologia e usado como ferramenta para determinar a causa de doenças infecciosas, permitindo que o agente se multiplique em um meio predeterminado. Por exemplo, uma cultura da garganta é feita raspando o forro do tecido na parte de trás da garganta e borrando a amostra em um meio para ser capaz de rastrear microorganismos prejudiciais, como Streptococcus pyogenes, o agente causador da faringite estreptocócica. [1] Além disso, o termo cultura é mais geralmente usado informalmente para se referir ao "cultivo seletivo" de um tipo específico de microrganismo no laboratório.

Freqüentemente, é essencial isolar uma cultura pura de microorganismos. Um puro (ou axênico) cultura é uma população de células ou organismos multicelulares que crescem na ausência de outras espécies ou tipos. Uma cultura pura pode se originar de uma única célula ou organismo, caso em que as células são clones genéticos umas das outras. Para efeito de gelificação da cultura microbiana, é utilizado o meio de gel de agarose (ágar). O ágar é uma substância gelatinosa derivada de algas marinhas. Um substituto barato para o ágar é a goma de guar, que pode ser usada para o isolamento e manutenção de termófilos.


Necessidades de procariontes

Os diversos ambientes e ecossistemas da Terra têm uma ampla gama de condições em termos de temperatura, nutrientes disponíveis, acidez, salinidade e fontes de energia. Os procariontes são muito bem equipados para viver de uma vasta gama de nutrientes e condições. Para viver, os procariontes precisam de uma fonte de energia, uma fonte de carbono e alguns nutrientes adicionais.

Macronutrientes

As células são essencialmente um conjunto bem organizado de macromoléculas e água. Lembre-se de que as macromoléculas são produzidas pela polimerização de unidades menores chamadas monômeros. Para que as células construam todas as moléculas necessárias para sustentar a vida, elas precisam de certas substâncias, chamadas coletivamente nutrientes. Quando os procariontes crescem na natureza, eles obtêm seus nutrientes do meio ambiente. Nutrientes que são necessários em grandes quantidades são chamados de macronutrientes, enquanto aqueles necessários em quantidades menores ou vestigiais são chamados de micronutrientes. Apenas alguns elementos são considerados macronutrientes - carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre. (Um mnemônico para lembrar esses elementos é a sigla CHONPS.)

Por que esses macronutrientes são necessários em grandes quantidades? Eles são os componentes de compostos orgânicos nas células, incluindo a água. O carbono é o elemento principal em todas as macromoléculas: carboidratos, proteínas, ácidos nucléicos, lipídios e muitos outros compostos. O carbono é responsável por cerca de 50 por cento da composição da célula. O nitrogênio representa 12% do peso seco total de uma célula típica e é um componente de proteínas, ácidos nucléicos e outros constituintes celulares. A maior parte do nitrogênio disponível na natureza é nitrogênio atmosférico (N2) ou outra forma inorgânica. Diatômica (N2) o nitrogênio, no entanto, pode ser convertido em uma forma orgânica apenas por certos organismos, chamados organismos fixadores de nitrogênio. Tanto o hidrogênio quanto o oxigênio fazem parte de muitos compostos orgânicos e da água. O fósforo é necessário para todos os organismos para a síntese de nucleotídeos e fosfolipídios. O enxofre faz parte da estrutura de alguns aminoácidos, como a cisteína e a metionina, e também está presente em várias vitaminas e coenzimas. Outros macronutrientes importantes são potássio (K), magnésio (Mg), cálcio (Ca) e sódio (Na). Embora esses elementos sejam necessários em quantidades menores, eles são muito importantes para a estrutura e função da célula procariótica.

Micronutrientes

Além desses macronutrientes, os procariontes requerem vários elementos metálicos em pequenas quantidades. Estes são referidos como micronutrientes ou oligoelementos. Por exemplo, o ferro é necessário para o funcionamento dos citocromos envolvidos nas reações de transporte de elétrons. Alguns procariotos requerem outros elementos - como boro (B), cromo (Cr) e manganês (Mn) - principalmente como co-fatores enzimáticos.

Pergunta Prática

As substâncias necessárias para sustentar a vida são _____.


Regulação da expressão gênica em procariontes | Regulação do gene

A transcrição do gene é regulada em bactérias por meio de um complexo de genes denominado operon. Essas são unidades de transcrição nas quais vários genes, com funções relacionadas, são regulados juntos. Outros genes também ocorrem em operons que codificam proteínas regulatórias que controlam a expressão gênica. Os operons são classificados como indutíveis ou repressíveis.

Sistema indutível e reprimível:

A β galactosidase em E. coli é responsável pela hidro e tímida da lactose em glicose e galactose.

Se a lactose não for fornecida às células de E. coli, a presença de β galactosidase dificilmente será detectada. Mas assim que a lactose é adicionada, a produção da enzima β galactosidase aumenta. A enzima cai tão rapidamente quanto o substrato (lactose) é removido.

Essas enzimas, cuja síntese pode ser induzida pela adição do substrato, são conhecidas como enzimas induzíveis e o sistema genético responsável pela síntese de tal enzima é chamado de sistema induzível. O substrato cuja adição induz a síntese de uma enzima é o indutor.

Em alguns outros casos, a situação é inversa. Por exemplo, quando nenhum aminoácido é fornecido de fora, as células de E. coli podem sintetizar todas as enzimas necessárias para a síntese de diferentes aminoácidos. No entanto, se um determinado aminoácido, por exemplo, histidina, é adicionado, a produção da enzima sintetizadora de histidina diminui.

Em tal sistema, a adição do produto final de biossina e shítese verifica a síntese das enzimas necessárias para a biossíntese. Essas enzimas, cuja síntese pode ser verificada pela adição do produto final, são enzimas reprimíveis e o sistema genético é conhecido como sys & shytem repressíveis. O produto final, cuja adição verifica a síntese da enzima é o co-repressor.

Uma classe de moléculas chamadas repressores são encontradas nas células e esses repressores verificam a atividade dos genes. Um repressor ativo pode ser desativado adicionando um indutor, enquanto um repressor inativo e tímido pode ser ativado adicionando um co-repressor.

Modelo Operon:

Uma hipótese para explicar a indução e repressão da síntese enzimática foi inicialmente proposta por Jacob e Monod. O esquema proposto por eles é denominado Modelo de Operon.

Isso consiste nos componentes:

Estes estão diretamente relacionados com a síntese de proteínas celulares. Eles produzem os mRNAs por meio da transcrição e determinam a sequência de aminoácidos nas proteínas sintetizadas. Todos os genes estruturais sob um operon podem formar uma longa molécula de mRNA poicistrônica ou poligênica.

Ele está localizado ao lado do gene estrutural. Ele determina se os genes estruturais devem ser reprimidos pela proteína representante, um produto do gene regulador. O gene operador é o local de ligação da proteína repressora e repressora, a última se liga à forma do operador e evita um complexo operador-repressor. Quando o repressor se liga ao operador, a transcrição dos genes estruturais não pode ocorrer.

Esses genes sintetizam repressor. O repressor pode ser um repressor ativo ou um repressor inativo. Repressor pro & shytein tem um site ativo para reconhecimento do operador e outro site ativo para indutor. Na ausência de uma proteína indutora, o repressor se liga ao gene ope & shyrator e bloqueia o caminho da RNA poli & shymerase. Assim, os genes estruturais são incapazes de transcrever o mRNA e, conseqüentemente, a sinítese de proteínas não ocorre.

Na presença de um indutor, a proteína repressora se liga ao indutor para formar um complexo indutor-repressor. O repressor quando se liga ao indutor sofre uma mudança e se torna ineficaz e, como resultado, ele não pode se ligar ao gene operador e a proteína syn & shythesis é possível.

O local real da iniciação da transcrição e da timidez é conhecido como gene promotor, que fica à esquerda do gene operador. Acredita-se que a RNA polimerase se liga e se move a partir do local do promotor.

O efetor é uma pequena molécula (açúcar ou aminoácido) que pode ser ligada a uma proteína reguladora e determinará se o repressor se ligará ao operador ou não. No operon induzível, essas moléculas efetoras são chamadas de indutor. No operon repressível, essas moléculas efetoras são chamadas de co-repressor.

Operon induzível:

O operon mais conhecido é o operon lac. O operon lac exerce o controle positivo e negativo e tímido. O controle negativo é no sentido de que o operon é normalmente & # 8220on & # 8221 mas é mantido & # 8220off & # 8221 pelo gene regulador, isto é, os genes não podem se expressar, a menos que seja necessário.

O repressor lac exerce controle negativo. O controle positivo é aquele em que o gene regulador vai estimular a produção da enzima. A proteína ativadora catabólica (CAP) facilita a transcrição, por isso exerce e evita o controle positivo. Duas proteínas únicas estão, portanto, envolvidas na regulação do operon lac, que são o repressor lac e o CAP.

A lactose é uma molécula de dissacarídeo. A fim de utilizar a lactose como uma fonte de carbono e energia, as moléculas de lactose devem ser transportadas do ambiente extracelular para a célula e, em seguida, sofrer hidrólise em glicose e galac & shytose. Essas reações são catalisadas por três enzimas. O operon lac consiste em três genes estruturais (lac Z, Y, A) que codificam essas três enzimas (Fig. 17.2).

gene lac Z - codifica a enzima β galactosidase que quebra a lactose em galactose e glicose

gene lac Y - codifica para permease que transporta lactose para a célula

gene lac A - codifica a transacetilase que transfere o grupo acetila da acetil CoA para a galactose.

Controle Negativo do Operon lac:

lac repres & shysor é sintetizado através da atividade do gene lac I denominado gene regulador. Este repressor é uma proteína alostérica

(i) Que pode ligar o DNA lac no local do operador, ou

(ii) Isso pode se ligar ao indutor.

Na ausência de indutor, o sítio de ligação ao DNA do repressor é funcional. A proteína repressora se liga ao DNA no local do operador do locus lac e bloqueia a transcrição dos genes lac pela RNA polimerase. Assim, a sin e shítese da enzima lac é inibida (Fig. 17.3A).

A lactose não é o verdadeiro indutor do operon lac. Ele se liga ao repressor para aumentar sua afinidade pelo operador. Por outro lado, a proteína ligada ao repressor inativo é a alolactose. Enquanto a β galactosidase quebra a lactose em glicose e galactose, uma reação colateral transforma a galactose em alolactose e galactobiose.

Esta alolactose previne o efeito anti-indutor de lac I lac lac da lactose. Quando a alolactose (indutor) se liga ao repressor, ele muda a forma do sítio de ligação do DNA, tornando o repressor inativo e liberado do sítio do operador. Assim, a transcrição e a timidez dos genes lac são possíveis.

Controle Positivo do Operon lac:

É um mecanismo regulador adicional que permite ao operon lac detectar a presença de glicose, uma fonte de energia alternativa e preferida à lactose. Se a glicose e a lactose estiverem presentes, as células usarão a glicose primeiro e não usarão a energia, dividindo a lactose em seus açúcares componentes.

A presença de glicose na célula desliga o operon lac por um mecanismo chamado repressão catabólica, que envolve uma proteína reguladora chamada proteína ativadora catabólica (CAP). CAP se liga a uma sequência de DNA a montante do promotor lac e aumenta a ligação e o afastamento da RNA polimerase e a transcrição do operon é aumentada (Fig. 17.3B).

CAP apenas se liga na presença de um derivado de ATP denominado adenosina monofos & tímido cíclico (cAMP), cujos níveis são influenciados pela glicose. A enzima adenilato ciclase cata & timidamente a formação de cAMP e é inibida pela glicose. Quando a glicose está disponível para a célula, a adenilato ciclase é inibida e os níveis de cAMP são baixos.

Nestas condições, o CAP não se liga a montante do promotor e o lac ope & shyron é transcrito a um nível muito baixo. Por outro lado, quando a glicose está baixa, a adenilato ciclase não é inibida, o cAMP é mais alto e o CAP se liga, aumentando o nível de transcrição do operon.

Se a glicose e a lactose estiverem presentes juntas, o operon lac só será transcrito em um nível baixo. No entanto, quando a glicose é usada, a repressão catabólica terminará e a transcrição do operon lac aumenta, permitindo que a lactose disponível seja usada.

Operon Reprimível:

O operon trp consiste nos seguintes componentes:

(i) Genes estruturais (trp E, D, C, B e A):

Este operon contém cinco genes estruturais que codificam enzimas envolvidas na biossíntese e na análise do aminoácido triptofano. Os genes são expressos como um único mRNA transcrito de um promotor a montante.

(ii) Gene promotor (trp P):

É a região promotora que é o local de ligação para a RNA polimerase.

(iii) Gene do operador (trp O):

É a região operadora que se liga ao repressor.

É a região líder que é feita de 162 nucleotídeos antes do primeiro gene estrutural trp E. Ela tem quatro regiões, a região 1 tem o códon para tryp e shitofano, as regiões 2, 3 e 4 regulam a síntese de mRNA dos genes estruturais.

A expressão do operon é regulada pelo nível de triptofano na célula (Fig. 17.4). Um gene regulador a montante do operon trp codifica uma proteína chamada repressor trp. Essa proteína se liga a uma sequência de DNA chamada operador trp, que fica logo abaixo do promotor trp, sobrepondo-se parcialmente a ele.

Quando o triptofano está presente na célula, ele se liga à proteína repressora trp, permitindo que se ligue à sequência do operador trp, obstruindo a ligação da RNA polimerase ao promotor trp e evitando a transcrição do operon.

Na ausência de triptofano, o repressor trp é incapaz de se ligar ao operador trp e a transcrição do operon prossegue. O triptofano, o produto final das enzimas codificadas pelo operon trp, age assim como um co-repressor com a proteína repressora trp e inibe sua própria síntese pela inibição do produto final.

A atenuação é um mecanismo regulador alternativo que permite o ajuste fino e inibição da expressão do operon trp e de outros operons (operon phe, his, leu, thr). A sequência de mRNA transcrita entre o trp promo & shyter e o primeiro gene trp é capaz de formar uma grande estrutura de haste-alça que não influencia a transcrição ou uma alça de haste menor que atua como terminador da transcrição (Fig. 17.5).

A posição relativa das sequências não permite a formação de ambos os laços de haste ao mesmo tempo. A atenuação depende do fato de que a transcrição e a timidez e a tradução estão ligadas, ou seja, os ribossomos se ligam aos mRNAs conforme eles estão sendo transcritos e começam a traduzi-los em proteínas.

A ligação dos ribossomos ao mRNA trp influencia qual das duas voltas da haste pode se formar e, assim, determina se a terminação ocorre ou não (Fig. 17.5).

Uma curta região de codificação a montante da região de haste-alça contém códons de triptofano que são traduzidos antes dos genes estruturais. Quando os níveis de triptofano são adequados, a RNA polimerase transcreve a região líder seguida de perto por um ribossomo que evita a formação e inibição da alça da haste maior, permitindo que a alça termi e shynator formem a transcrição final.

Se não houver tripto e shifano, a transcrição é iniciada, mas não posteriormente terminada porque o ribossomo está paralisado, a RNA polimerase avança e as grandes voltas em haste se formam. A formação do loop ter & shyminator é bloqueada e a transcrição do operon continua. Quando o triptofano está presente em níveis intermediários, algumas transcrições terminam e outras não.

A atenuação, portanto, permite que a célula sintetize triptofano de acordo com seus requisitos exatos. No geral, o repressor trp determina se o operon está ativado ou desativado e a atenuação determina o quão eficientemente ele é transcrito.

A sequência do mRNA sugere que o bloqueio do ribossomo influencia a terminação no atenuador. A capacidade do ribossomo de proliferar na região líder pode controlar a transição entre essas estruturas. A estrutura determina se o mRNA pode fornecer os recursos necessários para a terminação ou não.

Quando o triptofano está presente, os ribossomos são capazes de sintetizar o peptídeo líder. Eles continuarão ao longo da seção líder do mRNA até o códon UGA, que fica entre as regiões 1 e 2. Ao progredir até este ponto, os ribossomos se estendem sobre a região 2 e evitam o emparelhamento de bases.

O resultado é que a região 3 está disponível para emparelhar com a região 4, gerando o grampo de cabelo termi & shynator. Nessas condições, portanto, a RNA polimerase termina no atenuador.

No entanto, quando não há triptofano, ribo e shysomes iniciam a tradução do peptídeo líder, mas param nos códons trp que estão na região 1. Assim, a região 1 não pode emparelhar com a região 2. Se isso acontecer, mesmo enquanto o próprio mRNA está sendo sintetizada, as regiões 2 e 3 serão emparelhadas antes da região 4 ser transcrita.

Isso obriga a região 4 a permanecer em uma forma de cadeia única. Na ausência do grampo terminador, a RNA polimerase continua a transcrição pelo atenuador.

O operon ara (arabinose) de F. coli con & shytains:

(i) Três genes estruturais (ara A, ara B e ara D) & # 8211 que codificam três enzimas diferentes (isomerase, quinase, epimerase) para o metabolismo da arabinose; três genes estruturais são co-transcritos em um único mRNA.

(ii) Gene promotor (PMAU) - que inicia a transcrição.

(iii) Gene regular (ara C) - a proteína reguladora deste gene ara C.

(iv) Gene promotor (Pc) - Inicia a transcrição de são C.

Dois promotores PMAU e Pc estão situados a 100 pares de nucleotídeos na mesma região indutora e iniciam a transcrição em direções opostas.

A indução do operon ara depende dos efeitos regulatórios positivos de duas proteínas, a proteína ara C e CAP (a proteína ativadora de catabólito de ligação de cAMP), os locais de ligação dessas duas proteínas estão localizados em uma região chamada ara I, que está situada entre os três genes estruturais (ara B, ara A e ara D) e o gene regulador (ara C) (Fig. 17.6A).

A proteína ara C atua como um regulador negativo (um repressor) da transcrição dos genes estruturais ara B, ara A e ara D do PMAU promotor na ausência de arabinose e AMP cíclico (cAMP). Mas atua como um regulador positivo (um ativador) da transcrição desses genes do PMAU promotor quando arabinose e cAMP estão presentes.

Dependendo da presença ou ausência de moléculas efetoras como arabinose e cAMP, o produto do gene regulador ara C pode exercer um efeito positivo ou negativo na transcrição dos genes estruturais ara B, ara A e ara D (Fig. 17.6B).

Regulação pós-transcricional da expressão gênica em procariotos:

A regulação gênica também pode ocorrer em procariontes no momento da tradução.

Regulação autógena da tradução:

Existem vários exemplos em que uma proteína ou RNA regula sua própria produção. Várias proteínas funcionam como repressores, ligam-se ao sítio de ligação do ribossomo (ou sequência SD-Shine-Dalgarno) ou códon de iniciação do mRNA. Nestes casos, o mRNA permanece intacto, mas não pode ser traduzido. Existem alguns outros sistemas onde o mRNA pode ser degradado pela ligação da proteína nas sequências específicas curtas de mRNA.

Regulação por RNA anti-sentido:

O controle translacional da síntese de proteínas pode ser exercido pelo uso de RNA que é complementar ao mRNA, esse RNA complementar formará híbridos de RNA-mRNA e evitará que o mRNA seja traduzido. Esses tipos de RNAs são chamados de RNA anti-sentido ou micRNA (mic = RNA complementar interferente do mRNA).

Repressão da tradução:

A repressão da tradução ocorre das seguintes formas:

(a) Uma molécula repressora-efetora pode reconhecer e sincronizar e se ligar a uma sequência específica ou a uma estrutura secundária específica (envolvendo a região SD e o códon AUG), bloqueando assim a iniciação da tradução através do bloqueio da região ribossômica de ligação e tímido.

(b) Uma molécula repressora-efetora pode se ligar a um operador (não envolvendo a região SD e o códon AUG), estabilizando assim uma estrutura secundária inibitória de mRNA.

(c) Uma molécula efetora (uma endonuclease) pode inibir a iniciação da tradução por clivagem endonucleolítica da região SD.

Ativação da tradução:

Alguns efetores ou ativadores positivos causam a ativação da trans & shylation por desestabilizar as estruturas secundárias inibitórias no mRNA por meio de bind & shying simples ou por clivagem endonucleolítica. A tradução de certos genes pode ser influenciada por outros genes & # 8211 o fenômeno é chamado de acoplamento trans & shylational.

Em alguns casos, o produto final de uma determinada via biossintética se acumula e esse acúmulo pode interromper a síntese dessa substância. O produto final atua por meio da transformação alostérica da primeira enzima da via biossintética (Fig. 17.7).


Regulação do gene em procariontes | Genética

A regulação gênica refere-se ao controle da taxa ou maneira na qual um gene é expresso. Em outras palavras, a regulação gênica é o processo pelo qual a célula determina (por meio de interações entre DNA, RNA, proteínas e outras substâncias) quando e onde os genes serão ativados e quanto produto gênico será produzido.

Assim, a expressão do gene é controlada por um complexo de numerosos genes reguladores e proteínas regulatórias. A regulação gênica foi estudada tanto em procariotos quanto em eucariotos. Em procariontes, o modelo de operon de regulação gênica é amplamente aceito.

Esse modelo de regulação gênica foi proposto por Jacob e Monod em 1961, pelo qual eles receberam o Prêmio Nobel em 1965. O operon se refere a um grupo de genes intimamente ligados que, juntos, codificam várias enzimas de uma determinada via bioquímica.

Em outras palavras, o operon é uma unidade de expressão e regulação do gene bacteriano, incluindo genes estruturais e elementos de controle no DNA reconhecidos pelo (s) produto (s) do gene regulador. Assim, o operon é um modelo que explica o mecanismo liga-desliga da síntese de proteínas de uma maneira sistemática. Os principais pontos do modelo de operon de regulação gênica são apresentados a seguir.

(i) Desenvolvido por:

Em procariotos, o modelo de operon de regulação gênica foi desenvolvido por Jacob e Monod em 1961, pelo qual eles receberam o prêmio Nobel em 1965. Agora, esse modelo de regulação gênica é amplamente aceito.

(ii) Organismo usado:

O modelo de operon foi desenvolvido trabalhando com a região da lactose [região lac] da bactéria E. coli do intestino humano. A regulação gênica foi estudada para degradação da lactose do açúcar.

(iii) Genes envolvidos:

No modelo de operon de regulação gênica, quatro tipos de genes viz:

(iv) O gene regulador está envolvido.

Além disso, moléculas repressoras, co-repressoras e indutoras também estão envolvidas.

(4) Enzimas envolvidas:

Quatro tipos de enzimas estão envolvidos na regulação gênica de procariotos. Estes são beta-galactosidase, galactosidase permease, transacetilase e RNA polimerase. A beta-galactosidase catalisa a quebra da lactose em glicose e galactose.

A galactosidase permease permite a entrada de lactose do meio na célula bacteriana. A enzima transacetilase transfere um grupo acetil da acetil coenzima A para a beta galactosidase. A enzima mRNA polimerase controla o on-off da transcrição.

Tipos de Operon na regulação do gene:

Nos procariontes, os operons são de dois tipos, a saber, indutíveis e repressíveis. O exemplo de um operon induzível é o operon da lactose, que contém genes que codificam enzimas responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose. Um exemplo de operon reprimível é o operon Trp, que codifica enzimas responsáveis ​​pela síntese do aminoácido triptofano (trp para abreviar).

A. Operon induzível:

Uma enzima cuja produção é aumentada pela adição do substrato no meio de cultura é chamada de enzima induzível, e tal sistema é chamado de sistema induzível. O exemplo de um operon induzível é o operon da lactose, que contém genes que codificam enzimas responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose.

Nas bactérias, operon se refere a um grupo de genes intimamente ligados que agem juntos e codificam as várias enzimas de uma via bioquímica específica.

O modelo do operon lac de E. coli se parece com este:

Existem três genes estruturais do operão lac, isto é, lac Z, lac Y e lac A. A principal função dos genes estruturais é controlar a síntese de proteínas através do ARN mensageiro. A função desses genes é a seguinte.

Ele codifica a enzima beta-galactosidase, que catalisa a quebra da lactose em glicose e galactose.

Ele codifica a enzima galactosidase permease, que permite a entrada da lactose do meio na célula bacteriana.

Ele codifica a enzima transacetilase, que transfere um grupo acetil da acetil coenzima A para a beta galactosidase.

Os três genes estruturais acima estão sob o controle do gene promotor [designado P]. No promotor, a RNA polimerase se liga ao DNA e se prepara para iniciar a transcrição. A principal função do gene promotor é iniciar a transcrição de mRNS.

O outro elemento regulador em um operon é o operador (designado O). Este é o elemento que determina se os genes do operon são transcritos ou não. A principal função do gene operador é controlar a função dos genes estruturais.

Isso é denominado I. É expresso o tempo todo, ou constitutivamente, e desempenha um papel importante na função do operon. Este é o gene lac I, que codifica uma proteína chamada repressor lac. O repressor lac tem dois domínios ou regiões funcionais: um que se liga ao DNA da região operadora e outro que se liga à lactose.

Quando o repressor se liga ao operador, impede que a RNA polimerase avance ao longo do operon, e a transcrição não ocorre. A regulação do operon depende de regular se o repressor se liga ou não ao operador. A função do gene regulador é dirigir a síntese do repressor, uma molécula de proteína. Sua função difere na presença e ausência de lactose, conforme discutido abaixo.

Quando a lactose é ausente:

Quando a lactose está ausente no ambiente, os eventos acontecem desta forma. O gene lac I é transcrito [constitutivamente, isto é, continuamente] e o mRNA é traduzido, produzindo o repressor lac. O repressor se liga ao operador e bloqueia a RNA polimerase.

Quando a RNA polimerase é bloqueada, não há transcrição. Assim, as enzimas para o metabolismo da lactose não são sintetizadas, porque não há lactose para metabolizar. Assim, quando a lactose está ausente, as enzimas que metabolizam a lactose não são produzidas.

Quando a lactose está presente:

Quando a lactose está presente no ambiente, os eventos ocorrem de forma diferente. Uma pequena quantidade de lactose entra na célula e afeta a regulação do operon. O repressor lac ainda é sintetizado. O repressor pode se ligar à lactose.

Após se ligar à lactose, o repressor sofre uma mudança conformacional (mudança de forma). As moléculas que mudam de forma quando se ligam a outra molécula são chamadas de moléculas alostéricas. Com essa mudança, o repressor lac é incapaz de se ligar à região do operador. Portanto, a RNA polimerase não é bloqueada e é capaz de transcrever os genes do operon.

As enzimas codificadas por esses genes são produzidas. A lac permease transporta mais lactose para a célula e a beta-galactosidase cliva a lactose em glicose e galactose. Isso pode ser posteriormente metabolizado por outras enzimas, produzindo energia para a célula.

A lactose, portanto, é capaz de induzir a síntese das enzimas necessárias ao seu metabolismo (evitando a ação do repressor). Como tal, a lactose é o indutor do operon lac. Assim, quando a lactose está ausente, as enzimas que metabolizam a lactose não são produzidas e, quando a lactose está presente, essas enzimas são produzidas.

Mutações do Lac Operon:

As mutações podem afetar a regulação do operon lac de diferentes maneiras, conforme indicado abaixo:

(i) Mutação do gene lac I de tal forma que o repressor codificado não se liga mais à lactose. Nesse caso, o repressor se ligaria ao operador independentemente da presença ou ausência de lactose, e o operon nunca seria transcrito em níveis elevados.

(ii) Mutação do gene lac I de tal forma que o repressor não mais se liga ao operador. Nesse caso, o operon nunca seria reprimido e a transcrição seria realizada continuamente. Isso é conhecido como transcrição constitutiva.

(iii) Mutação na região do operador de tal forma que o repressor de tipo selvagem não a reconhece (o repressor reconhece a sequência de DNA específica da legião de operadores): Neste caso, não haverá ligação do repressor ao operador, e a transcrição continuará continuamente.

Repressão Catabólica:

A expressão do operon lac também pode ser regulada de outra maneira. A glicose é preferível à lactose como fonte de energia. Portanto, se a glicose estiver presente no ambiente, a transcrição é reduzida ou o operon lac é regulado para baixo.

A transcrição do operon lac requer outra proteína, chamada proteína ativadora catabólica (abreviação CAP). Esta proteína CAP liga-se ao promotor lac e aumenta a transcrição. Mas isso ocorre apenas depois que o CAP se liga a uma pequena molécula chamada AMP cíclico (cAMP).

Sem cAMP, CAP não se ligará ao promotor e não ocorrerá transcrição. Nos exemplos anteriores envolvendo o operão lac, podemos assumir que o cAMP estava presente e o complexo CAP-cAMP estava ligado ao promotor.

O cAMP é produzido por uma enzima chamada adenil-ciclase. Na presença de glicose no ambiente, a adenil-ciclase é inibida e a produção de cAMP cai. Assim, não há cAMP para se ligar ao CAP. Nesta situação, o CAP não se liga ao promotor lac e não ocorre transcrição lac.

Dessa forma, a bactéria não produz enzimas para o metabolismo da lactose quando elas não são necessárias devido à presença de glicose. A beta-galactosidase quebra a lactose em glicose e galactose. Quando uma quantidade suficiente de lactose é metabolizada, a glicose (um dos produtos) se acumula e causa a repressão do operon lac.

Méritos do Modelo Operon na Regulação Genética:

1. É um modelo muito simples, porém informativo, de regulação gênica em procariotos.

2. É um modelo muito bem conhecido de regulação gênica em procariotos.

3. Este modelo é baseado em resultados empíricos e foi estudado em diferentes procariontes.

4. Este modelo é de dois tipos, a saber:

B. Operon Reprimível:

Uma molécula de proteína que impede a transcrição é chamada de repressor e o processo de inibição da transcrição é chamado de repressão. Os operons reprimíveis são regulados pelo produto final da via metabólica e não por um reagente na via metabólica (como a lactose no operon lac).

Um exemplo de operon reprimível é o operon Trp. Este codifica enzimas que são responsáveis ​​pela síntese do aminoácido triptofano (trp para breve). O operon trp é regulado pelo trp, que é o produto da via metabólica.

No operon trp, o repressor trp apenas se liga ao operador quando o trp está presente, (oposto ao repressor lac). O repressor liga-se ao trp e sofre uma mudança conformacional [mudança de forma]. Essa mudança na forma permite que ele se ligue ao operador, bloqueando a transcrição. Como o trp é necessário para a repressão, ele é referido como co-repressor neste sistema (em oposição à lactose ser um indutor).

Quando trp está ausente, o repressor não se liga ao operador e ocorre a transcrição. Assim, se houver bastante trp ao redor [e não for necessário mais], a transcrição será bloqueada. Se não houver trp ao redor [precisa ser sintetizado], ocorre a transcrição. Em outras palavras, permite a produção de enzimas para a síntese de trp.

Os operons repressíveis são organizados da mesma maneira que os operons induzíveis: há genes estruturais sob o controle de um promotor e operador, e há um gene que codifica um repressor.

A mutação afetará a regulação do gene da seguinte forma:

(i) mutação no gene repressor de forma que ele não se ligue mais ao trp Quando o repressor não se liga ao trp, não haverá alteração em sua estrutura e ele não se ligará ao operador e ocorrerá a transcrição.

(ii) mutação no gene repressor de forma que ele não se ligue mais ao repressor: em tal situação a transcrição ocorrerá.

(iii) mutação no operador de forma que não mais se ligue ao repressor: nessa situação também ocorrerá a transcrição.

Mecanismo de Regulação Genética:

O mecanismo de regulação gênica é de dois tipos, a saber:

(1) Regulamentação negativa, e

O mecanismo de regulação do gene no operon de E. coli e no operon do triptofano são discutidos abaixo:

1. Controle Negativo:

O primeiro interruptor no operon lac de E. coli é a proteína repressora. No controle negativo, a transcrição é controlada pela proteína repressora, que é uma proteína alostérica. A proteína repressora se liga à região operadora e impede a transcrição. Impede a transcrição, bloqueando a RNA polimerase. Assim, quando o repressor está vinculado ao operador, a transcrição é desligada.

Assim, o interruptor liga-desliga da síntese de proteínas é governado pela posição livre ou ocupada do gene operador. Quando o operador está livre, a transcrição ocorre e quando o gene do operador é bloqueado, a transcrição é impedida. Se um isômero de lactose [alolaptose] estiver presente, ele se ligará à proteína repressora e mudará sua forma. O repressor alterado não se liga ao operador e, portanto, permite a transcrição.

2. Controle Positivo:

O segundo switch no operon lac de E. coli, é a proteína ativadora catabólita [CAP]. O CAP é uma proteína alostérica. O CAP se liga ao DNA e a uma pequena molécula chamada adenosina monofosfato cíclica [cAMP]. O CAP apenas se liga à região do promotor e estimula a transcrição quando o cAMP se liga ao sítio alostérico.

A concentração de cAMP é controlada pelas concentrações de ATP. O baixo ATP leva a alto cAMP e alto ATP leva a baixo cAMP. Se E. coli está crescendo com glicose, haverá alto [ATP] e amp baixo [cAMP]. Se nenhuma glicose estiver presente, haverá um [ATP] baixo e amp alto [cAMP]

Na ausência de glicose, o [cAMP] é alto, liga-se ao CAP, que se liga à região do promotor e estimula a transcrição.Se houver glicose, [cAMP] é baixo. não se liga ao CAP, que não pode se ligar ao promotor e não permite a transcrição.

Operon de triptofano:

O operon triptofano [em curto operon trp] é regulado pelo trp, que é o produto da via metabólica. O operon trp contém genes que produzem 5 enzimas na via biossintética para a produção do aminoácido triptofano.

No operon trp, o controle negativo está associado a uma proteína repressora. No entanto, a proteína repressora só se liga ao gene operador quando um efetor alostérico está ligado a ele. O triptofano é um efetor alostérico, que também é chamado de co-repressor no operon trp, a transcrição é controlada pela posição livre ou ocupada do repressor.

Se a proteína repressora não se ligar ao gene operador, a transcrição ocorrerá. Se o triptofano estiver presente, não há necessidade de sintetizar enzimas. Em tal situação, o triptofano se liga à proteína repressora e ambos [trp e repressor] se ligam ao gene operador, impedindo a transcrição. Quando trp está ausente, o repressor não se liga ao operador e a transcrição ocorre.

No controle negativo, a proteína repressora se liga ao DNA e interrompe a transcrição. No controle positivo, a proteína ativadora se liga ao DNA e estimula a transcrição. No sistema induzível, o efetor alostérico se liga e libera a proteína repressora do DNA, resultando na transcrição. No sistema repressível, o efetor alostérico se liga e faz com que a proteína repressora se ligue ao DNA, impedindo a transcrição.


Biologia 171


No passado recente, os cientistas agruparam os seres vivos em cinco reinos - animais, plantas, fungos, protistas e procariontes - com base em vários critérios, como a ausência ou presença de um núcleo e outras organelas delimitadas por membrana, a ausência ou presença de paredes celulares, multicelularidade e assim por diante. No final do século 20, o trabalho pioneiro de Carl Woese e outros comparou sequências de RNA ribossômico de subunidade pequena (SSU rRNA), que resultou em uma forma mais fundamental de agrupar organismos na Terra. Com base nas diferenças na estrutura das membranas celulares e no rRNA, Woese e seus colegas propuseram que toda a vida na Terra evoluiu ao longo de três linhagens, chamadas domínios. O domínio Bacteria compreende todos os organismos do reino Bacteria, o domínio Archaea compreende o resto dos procariontes e o domínio Eukarya compreende todos os eucariotos - incluindo organismos nos reinos Animalia, Plantae, Fungi e Protista.

Dois dos três domínios - Bactérias e Archaea - são procarióticas. Os procariontes foram os primeiros habitantes da Terra, surgindo há 3,5 a 3,8 bilhões de anos. Esses organismos são abundantes e onipresentes, ou seja, estão presentes em todos os lugares. Além de habitarem ambientes moderados, eles são encontrados em condições extremas: de fontes ferventes a ambientes permanentemente congelados na Antártica, de ambientes salgados como o Mar Morto a ambientes sob tremenda pressão, como as profundezas do oceano e de áreas sem oxigênio, como como uma planta de gerenciamento de resíduos, para regiões contaminadas radioativamente, como Chernobyl. Os procariontes residem no sistema digestivo humano e na pele, são responsáveis ​​por certas doenças e desempenham um papel importante no preparo de muitos alimentos.

Objetivos de aprendizado

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Descreva a história evolutiva dos procariontes
  • Discuta as características distintivas dos extremófilos
  • Explique por que é difícil cultivar procariontes

Os procariontes são onipresentes. Eles cobrem todas as superfícies imagináveis ​​onde há umidade suficiente e também vivem sobre e dentro de praticamente todos os outros seres vivos. No corpo humano típico, as células procarióticas superam as células do corpo humano em cerca de dez para um. Eles compreendem a maioria dos seres vivos em todos os ecossistemas. Alguns procariontes prosperam em ambientes inóspitos para a maioria dos seres vivos. Os procariontes reciclam nutrientes - substâncias essenciais (como carbono e nitrogênio) - e impulsionam a evolução de novos ecossistemas, alguns dos quais naturais e outros feitos pelo homem. Os procariontes existem na Terra muito antes do surgimento da vida multicelular. Na verdade, acredita-se que as células eucarióticas sejam descendentes de antigas comunidades procarióticas.

Procariontes, os primeiros habitantes da Terra

Quando e onde começou a vida celular? Quais eram as condições na Terra quando a vida começou? Agora sabemos que os procariontes foram provavelmente as primeiras formas de vida celular na Terra, e eles existiram por bilhões de anos antes do aparecimento de plantas e animais. A Terra e sua lua têm cerca de 4,54 bilhões de anos de idade. Esta estimativa é baseada em evidências de datação radiométrica de material de meteorito junto com outro material de substrato da Terra e da lua. A Terra primitiva tinha uma atmosfera muito diferente (continha menos oxigênio molecular) do que hoje e estava sujeita a forte radiação solar, portanto, os primeiros organismos provavelmente teriam florescido onde estavam mais protegidos, como nas profundezas do oceano ou muito abaixo da superfície da Terra. A forte atividade vulcânica era comum na Terra nessa época, então é provável que esses primeiros organismos - os primeiros procariontes - tenham se adaptado a temperaturas muito altas. Como a Terra primitiva era propensa a turbulências geológicas e erupções vulcânicas, e estava sujeita a bombardeios por radiação mutagênica do sol, os primeiros organismos foram procariontes que devem ter resistido a essas condições adversas.

Esteiras microbianas

Esteiras microbianas ou grandes biofilmes podem representar as primeiras formas de vida procariótica na Terra - há evidências fósseis de sua presença a partir de cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. É notável que a vida celular tenha aparecido na Terra apenas um bilhão de anos depois que a própria Terra se formou, sugerindo que a “vida” pré-celular que poderia se replicar havia evoluído muito antes. Um tapete microbiano é uma folha de múltiplas camadas de procariotos ((Figura)) que inclui principalmente bactérias, mas também arqueanos. Os tapetes microbianos têm apenas alguns centímetros de espessura e normalmente crescem onde diferentes tipos de materiais fazem interface, principalmente em superfícies úmidas. Os diversos tipos de procariontes que os compõem realizam diferentes vias metabólicas, por isso suas diversas cores. Os procariontes em uma esteira microbiana são mantidos juntos por uma substância pegajosa semelhante a uma cola que eles secretam, chamada Matriz extracelular.

As primeiras esteiras microbianas provavelmente obtinham sua energia de produtos químicos encontrados perto de fontes hidrotermais. UMA respiradouro hidrotermal é uma quebra ou fissura na superfície da Terra que libera água aquecida geotermicamente. Com a evolução da fotossíntese há cerca de três bilhões de anos, alguns procariontes em esteiras microbianas passaram a usar uma fonte de energia mais amplamente disponível - a luz solar - enquanto outros ainda dependiam de produtos químicos de fontes hidrotermais para obter energia e alimentos.


Estromatólitos

Esteiras microbianas fossilizadas representam o registro mais antigo de vida na Terra. Um estromatólito é uma estrutura sedimentar formada quando os minerais são precipitados da água por procariotos em uma esteira microbiana ((Figura)). Os estromatólitos formam rochas em camadas feitas de carbonato ou silicato. Embora a maioria dos estromatólitos sejam artefatos do passado, há lugares na Terra onde os estromatólitos ainda estão se formando. Por exemplo, estromatólitos em crescimento foram encontrados no Parque Estadual do Deserto de Anza-Borrego no Condado de San Diego, Califórnia.


A Antiga Atmosfera

As evidências indicam que durante os primeiros dois bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera era anóxica, o que significa que não havia oxigênio molecular. Portanto, apenas os organismos que podem crescer sem oxigênio -organismos anaeróbicos- foram capazes de viver. Organismos autotróficos que convertem energia solar em energia química são chamados de fototróficos e apareceram um bilhão de anos após a formação da Terra. Então, as cianobactérias, também conhecidas como “algas verde-azuladas”, evoluíram desses fototróficos simples pelo menos um bilhão de anos depois. Foram as cianobactérias ancestrais ((Figura)) que deram início à “oxigenação” da atmosfera: O aumento do oxigênio atmosférico permitiu a evolução de O mais eficiente2-utilizando vias catabólicas. Também abriu o terreno para o aumento da colonização, porque alguns O2 é convertido em O3 (ozônio) e o ozônio absorvem efetivamente a luz ultravioleta que poderia ter causado mutações letais no DNA. A evidência atual sugere que o aumento de O2 as concentrações permitiram a evolução de outras formas de vida.


Micróbios são adaptáveis: vida em ambientes moderados e extremos

Alguns organismos desenvolveram estratégias que lhes permitem sobreviver em condições adversas. Quase todos os procariotos têm uma parede celular, uma estrutura protetora que lhes permite sobreviver em condições aquosas hipertônicas e hipotônicas. Algumas bactérias do solo são capazes de se formar endosporos que resistem ao calor e à seca, permitindo assim que o organismo sobreviva até que as condições favoráveis ​​voltem a ocorrer. Essas adaptações, junto com outras, permitem que as bactérias continuem a ser a forma de vida mais abundante em todos os ecossistemas terrestres e aquáticos.

Os procariontes prosperam em uma vasta gama de ambientes: alguns crescem em condições que pareceriam muito normais para nós, enquanto outros são capazes de prosperar e crescer em condições que matariam uma planta ou um animal. Bactérias e arquéias adaptadas para crescer sob condições extremas são chamadas de extremófilos, que significa "amantes dos extremos". Extremófilos foram encontrados em todos os tipos de ambientes: nas profundezas dos oceanos, fontes termais, Ártico e Antártico, em locais muito secos, nas profundezas da Terra, em ambientes químicos agressivos e em ambientes de alta radiação ((Figura)), Apenas para mencionar alguns. Por terem adaptações especializadas que lhes permitem viver em condições extremas, muitos extremófilos não podem sobreviver em ambientes moderados. Existem muitos grupos diferentes de extremófilos: eles são identificados com base nas condições em que crescem melhor e vários habitats são extremos de várias maneiras. Por exemplo, um lago de soda é salgado e alcalino, então os organismos que vivem em um lago de soda devem ser alcalifílicos e halófilos ((Figura)). Outros extremófilos, como organismos radiorresistentes, não preferem um ambiente extremo (neste caso, um com altos níveis de radiação), mas se adaptaram para sobreviver nele ((Figura)). Organismos como esses nos dão uma melhor compreensão da diversidade procariótica e abrem a possibilidade de encontrar novas espécies procarióticas que podem levar à descoberta de novos fármacos terapêuticos ou ter aplicações industriais.

Extremófilos e suas condições preferidas
Extremófilo Condições para crescimento ideal
Acidófilos pH 3 ou abaixo
Alcalifilos pH 9 ou acima
Termófilos Temperatura 60–80 ° C (140–176 ° F)
Hipertermófilos Temperatura 80–122 ° C (176–250 ° F)
Psicrófilos Temperatura de -15-10 ° C (5-50 ° F) ou inferior
Halófilos Concentração de sal de pelo menos 0,2 M
Osmófilos Alta concentração de açúcar


Procariontes no Mar Morto

Um exemplo de ambiente muito hostil é o Mar Morto, uma bacia hipersalina localizada entre a Jordânia e Israel. Ambientes hipersalinos são essencialmente água do mar concentrada. No Mar Morto, a concentração de sódio é 10 vezes maior do que a da água do mar, e a água contém altos níveis de magnésio (cerca de 40 vezes mais elevados do que na água do mar) que seriam tóxicos para a maioria dos seres vivos. Ferro, cálcio e magnésio, elementos que formam íons divalentes (Fe 2+, Ca 2+ e Mg 2+), produzem o que é comumente referido como água “dura”. Tomados em conjunto, a alta concentração de cátions divalentes, o pH ácido (6,0) e o intenso fluxo de radiação solar tornam o Mar Morto um ecossistema 1 único e hostil ((Figura)).

Que tipo de procariontes encontramos no Mar Morto? Os tapetes bacterianos extremamente tolerantes ao sal incluem Halobacterium, Haloferax volcanii (que é encontrado em outros locais, não apenas no Mar Morto), Halorubrum sodomense, e Halobaculum gomorrense, e o arqueano Haloarcula marismortui, entre outros.


Procariontes não cultiváveis ​​e o estado viável, mas não cultivável

O processo de cultivo de bactérias é complexo e é uma das maiores descobertas da ciência moderna. O médico alemão Robert Koch tem o crédito de descobrir as técnicas para cultura pura, incluindo a coloração e o uso de meios de crescimento. Microbiologistas normalmente cultivam procariotos em laboratório usando um meio de cultura apropriado contendo todos os nutrientes necessários ao organismo-alvo. O meio pode ser líquido, caldo ou sólido. Após um tempo de incubação na temperatura certa, deve haver evidência de crescimento microbiano ((Figura)). O assistente de Koch, Julius Petri, inventou a placa de Petri, cujo uso persiste nos laboratórios de hoje. Koch trabalhou principalmente com o Mycobacterium tuberculosis bactéria causadora da tuberculose e desenvolveram diretrizes, denominadas postulados de Koch & # 8217s, para identificar os organismos responsáveis ​​por doenças específicas. Os postulados de Koch & # 8217s continuam a ser amplamente usados ​​na comunidade médica. Os postulados de Koch incluem que um organismo pode ser identificado como a causa da doença quando está presente em todas as amostras infectadas e ausente em todas as amostras saudáveis, e é capaz de reproduzir a infecção após ser cultivado várias vezes. Hoje, as culturas continuam sendo uma ferramenta diagnóstica primária na medicina e em outras áreas da biologia molecular.


Os postulados de Koch & # 8217s podem ser totalmente aplicados apenas a organismos que podem ser isolados e cultivados. Alguns procariontes, entretanto, não podem crescer em um ambiente de laboratório. Na verdade, mais de 99 por cento das bactérias e arqueas são não cultivável. Na maior parte, isso se deve à falta de conhecimento sobre o que alimentar esses organismos e como cultivá-los. Eles podem ter necessidades especiais de crescimento que permanecem desconhecidas dos cientistas, como a necessidade de micronutrientes específicos, pH, temperatura, pressão, co-fatores ou co-metabólitos. Algumas bactérias não podem ser cultivadas porque são parasitas intracelulares obrigatórios e não podem ser cultivadas fora de uma célula hospedeira.

Em outros casos, organismos cultiváveis tornam-se inculturais em condições estressantes, embora o mesmo organismo pudesse ser cultivado anteriormente. Os organismos que não podem ser cultivados, mas não estão mortos, estão em um estado viável, mas não cultivável (VBNC). O estado VBNC ocorre quando procariontes respondem a estressores ambientais entrando em um estado dormente que permite sua sobrevivência. Os critérios para entrar no estado VBNC não são completamente compreendidos. Em um processo chamado reanimação, o procarioto pode voltar à vida “normal” quando as condições ambientais melhorarem.

O estado VBNC é uma forma incomum de vida para procariontes? Na verdade, a maioria dos procariontes que vivem no solo ou em águas oceânicas não são cultiváveis. Foi dito que apenas uma pequena fração, talvez um por cento, dos procariotos pode ser cultivada em condições de laboratório. Se esses organismos não podem ser cultivados, como saber se eles estão presentes e vivos? Microbiologistas usam técnicas moleculares, como a reação em cadeia da polimerase (PCR), para amplificar porções selecionadas de DNA de procariotos, por exemplo, genes 16S rRNA, demonstrando sua existência. (Lembre-se de que a PCR pode fazer bilhões de cópias de um segmento de DNA em um processo chamado amplificação.)

A Ecologia dos Biofilmes

Alguns procariotos podem não ser cultiváveis ​​porque requerem a presença de outras espécies procariotas. Até algumas décadas atrás, os microbiologistas costumavam pensar nos procariotos como entidades isoladas que viviam separadas. Este modelo, entretanto, não reflete a verdadeira ecologia dos procariontes, muitos dos quais preferem viver em comunidades onde possam interagir. Como vimos, um biofilme é uma comunidade microbiana ((Figura)) mantida unida em uma matriz de textura pegajosa que consiste principalmente de polissacarídeos secretados pelos organismos, juntamente com algumas proteínas e ácidos nucléicos. Biofilmes normalmente crescem presos a superfícies. Alguns dos biofilmes mais estudados são compostos por procariotos, embora biofilmes fúngicos também tenham sido descritos, assim como alguns compostos por uma mistura de fungos e bactérias.

Os biofilmes estão presentes em quase todos os lugares: eles podem causar o entupimento de canos e colonizar prontamente superfícies em ambientes industriais. Em surtos recentes e em grande escala de contaminação bacteriana de alimentos, os biofilmes têm desempenhado um papel importante. Eles também colonizam superfícies domésticas, como balcões de cozinha, tábuas de cortar, pias e banheiros, bem como lugares no corpo humano, como a superfície de nossos dentes.

Interações entre os organismos que povoam um biofilme, juntamente com seus protetores exopolissacarídico (EPS) ambiente, tornam essas comunidades mais robustas do que procariontes de vida livre ou planctônica. A substância pegajosa que mantém as bactérias unidas também exclui a maioria dos antibióticos e desinfetantes, tornando as bactérias do biofilme mais resistentes do que suas contrapartes planctônicas. No geral, os biofilmes são muito difíceis de destruir porque são resistentes a muitas formas comuns de esterilização.


Em comparação com as bactérias de flutuação livre, as bactérias nos biofilmes costumam apresentar maior resistência a antibióticos e detergentes. Por que você acha que isso pode ser o caso?

Resumo da Seção

Os procariontes existiram por bilhões de anos antes do aparecimento de plantas e animais. Fontes termais e fontes hidrotermais podem ter sido os ambientes em que a vida começou. Acredita-se que esteiras microbianas representem as primeiras formas de vida na Terra. Um tapete microbiano é uma folha de múltiplas camadas de procariotos que cresce nas interfaces entre diferentes tipos de material, principalmente em superfícies úmidas. Esteiras microbianas fossilizadas são chamadas de estromatólitos e consistem em estruturas organo-sedimentares laminadas formadas pela precipitação de minerais por procariotos. Eles representam o registro fóssil mais antigo de vida na Terra.

Durante os primeiros dois bilhões de anos, a atmosfera era anóxica e apenas organismos anaeróbicos eram capazes de viver. As cianobactérias evoluíram dos primeiros fototróficos e iniciaram a oxigenação da atmosfera. O aumento da concentração de oxigênio permitiu a evolução de outras formas de vida.

Bactérias e arquéias crescem em praticamente todos os ambientes. Aqueles que sobrevivem em condições extremas são chamados de extremófilos (amantes extremos). Alguns procariontes não podem crescer em laboratório, mas não estão mortos. Eles estão no estado viável, mas não cultivável (VBNC). O estado VBNC ocorre quando procariontes entram em um estado dormente em resposta a estressores ambientais. A maioria dos procariontes é colonial e prefere viver em comunidades onde ocorrem interações. Um biofilme é uma comunidade microbiana mantida unida em uma matriz de textura pegajosa.

Art Connections

(Figura) Em comparação com as bactérias de flutuação livre, as bactérias nos biofilmes costumam apresentar maior resistência a antibióticos e detergentes. Por que você acha que isso pode ser o caso?

(Figura) A matriz extracelular e a camada externa de células protegem as bactérias internas. A proximidade das células também facilita a transferência lateral de genes, um processo pelo qual genes como os genes de resistência a antibióticos são transferidos de uma bactéria para outra. E mesmo que a transferência lateral de genes não ocorra, uma bactéria que produz uma exoenzima que destrói o antibiótico pode salvar as bactérias vizinhas.

Resposta livre

Descreva resumidamente como você detectaria a presença de um procarioto não cultivável em uma amostra ambiental.

Como os organismos não são cultiváveis, a presença pode ser detectada por meio de técnicas moleculares, como a PCR.

Por que os cientistas acreditam que os primeiros organismos da Terra foram extremófilos?

Porque as condições ambientais na Terra eram extremas: altas temperaturas, falta de oxigênio, alta radiação e assim por diante.

Uma nova espécie bacteriana é descoberta e classificada como endólito, um extremófilo que vive dentro da rocha. Se a bactéria foi descoberta no permafrost da Antártica, descreva duas características extremófilas que a bactéria deve possuir.

Notas de rodapé

    Bodaker, I, Itai, S, Suzuki, MT, Feingersch, R, Rosenberg, M, Maguire, ME, Shimshon, B e outros. Genômica comunitária comparada no Mar Morto: um ambiente cada vez mais extremo. The ISME Journal 4 (2010): 399–407, doi: 10.1038 / ismej.2009.141. publicado online em 24 de dezembro de 2009.

Glossário


Fronteiras na cultura de células de mamíferos

Nos últimos 60 anos, descobertas fundamentais na biologia eucariótica usando culturas de células de mamíferos foram significativas, mas modestas em relação ao enorme potencial. Combinado com os avanços nas tecnologias de biologia celular e molecular, a tecnologia de cultura de células de mamíferos está se tornando uma ferramenta importante, se não essencial, para a descoberta fundamental em biologia eucariótica. A reconstrução do meio para as células progrediu de soluções simples de sal que suportam a sobrevivência breve dos tecidos fora do corpo para a síntese do conjunto completo de nutrientes, hormônios e elementos estruturalmente definidos da matriz extracelular necessários para reconstruir tecidos complexos a partir das células. O isolamento de tipos específicos de células em ambientes completamente definidos revela a verdadeira complexidade da célula de mamífero e seu ambiente como uma unidade fisiológica dinâmica e interativa. As culturas de células fornecem a ferramenta para a detecção e dissecção do mecanismo de ação dos reguladores celulares e dos genes que determinam aspectos individuais do comportamento celular. A tecnologia sustenta avanços em virologia, genética de células somáticas, endocrinologia, carcinogênese, toxicologia, farmacologia, hematopoiese e imunologia e está se tornando uma ferramenta importante na biologia do desenvolvimento, fisiologia de tecidos complexos e produção de produtos biológicos derivados de células de mamíferos exclusivos na indústria.


Micróbios são adaptáveis: vida em ambientes moderados e extremos

Alguns organismos desenvolveram estratégias que lhes permitem sobreviver em condições adversas. Quase todos os procariotos têm uma parede celular, uma estrutura protetora que lhes permite sobreviver em condições aquosas hipertônicas e hipotônicas. Algumas bactérias do solo são capazes de se formar endosporos que resistem ao calor e à seca, permitindo assim que o organismo sobreviva até que as condições favoráveis ​​voltem a ocorrer. Essas adaptações, junto com outras, permitem que as bactérias continuem a ser a forma de vida mais abundante em todos os ecossistemas terrestres e aquáticos.

Os procariontes prosperam em uma vasta gama de ambientes: alguns crescem em condições que pareceriam muito normais para nós, enquanto outros são capazes de prosperar e crescer em condições que matariam uma planta ou um animal. Bactérias e arquéias adaptadas para crescer sob condições extremas são chamadas de extremófilos, que significa "amantes dos extremos". Extremófilos foram encontrados em todos os tipos de ambientes: nas profundezas dos oceanos, fontes termais, Ártico e Antártico, em lugares muito secos, nas profundezas da Terra, em ambientes químicos agressivos e em ambientes de alta radiação (Figura 4), apenas para mencionar alguns. Por terem adaptações especializadas que lhes permitem viver em condições extremas, muitos extremófilos não podem sobreviver em ambientes moderados. Existem muitos grupos diferentes de extremófilos: eles são identificados com base nas condições em que crescem melhor e vários habitats são extremos de várias maneiras. Por exemplo, um lago de soda é salgado e alcalino, então os organismos que vivem em um lago de soda devem ser alcalifílicos e halófilos (Tabela 1). Outros extremófilos, como organismos radiorresistentes, não preferem um ambiente extremo (neste caso, um com altos níveis de radiação), mas se adaptaram para sobreviver nele (Figura 4). Organismos como esses nos dão uma melhor compreensão da diversidade procariótica e abrem a possibilidade de encontrar novas espécies procarióticas que podem levar à descoberta de novos fármacos terapêuticos ou ter aplicações industriais.

Tabela 1: Extremófilos e suas condições preferidas
Extremófilo Condições para crescimento ideal
Acidófilos pH 3 ou abaixo
Alcalifilos pH 9 ou acima
Termófilos Temperatura 60–80 ° C (140–176 ° F)
Hipertermófilos Temperatura 80–122 ° C (176–250 ° F)
Psicrófilos Temperatura de -15-10 ° C (5-50 ° F) ou inferior
Halófilos Concentração de sal de pelo menos 0,2 M
Osmófilos Alta concentração de açúcar

Figura 4: Procariotos tolerantes à radiação. Deinococcus radiodurans, visualizado nesta micrografia eletrônica de transmissão de cores falsas, é um procarioto que pode tolerar doses muito altas de radiação ionizante. Ela desenvolveu mecanismos de reparo do DNA que permitem reconstruir seu cromossomo, mesmo que ele tenha sido quebrado em centenas de pedaços por radiação ou calor. (crédito: modificação do trabalho de Michael Daly, dados da barra de escala de Matt Russell)

Procariontes no Mar Morto

Um exemplo de ambiente muito hostil é o Mar Morto, uma bacia hipersalina localizada entre a Jordânia e Israel. Ambientes hipersalinos são essencialmente água do mar concentrada. No Mar Morto, a concentração de sódio é 10 vezes maior do que a da água do mar, e a água contém altos níveis de magnésio (cerca de 40 vezes mais elevados do que na água do mar) que seriam tóxicos para a maioria dos seres vivos. Ferro, cálcio e magnésio, elementos que formam íons divalentes (Fe 2+, Ca 2+ e Mg 2+), produzem o que é comumente referido como água “dura”. Tomados em conjunto, a alta concentração de cátions divalentes, o pH ácido (6,0) e o intenso fluxo de radiação solar tornam o Mar Morto um ecossistema 1 único e hostil (Figura 5).

Que tipo de procariontes encontramos no Mar Morto? Os tapetes bacterianos extremamente tolerantes ao sal incluem Halobacterium, Haloferax volcanii (que é encontrado em outros locais, não apenas no Mar Morto), Halorubrum sodomense, e Halobaculum gomorrense, e o arqueano Haloarcula marismortui, entre outros.

Figura 5: Procariotos halofílicos. (a) O Mar Morto é hipersalino. No entanto, bactérias tolerantes ao sal prosperam neste mar. (b) Essas células de halobactérias podem formar esteiras bacterianas tolerantes ao sal. (crédito a: Julien Menichini crédito b: dados da barra de escala da NASA de Matt Russell)

Procariontes não cultiváveis ​​e o estado viável, mas não cultivável

O processo de cultivo de bactérias é complexo e é uma das maiores descobertas da ciência moderna. O médico alemão Robert Koch tem o crédito de descobrir as técnicas para cultura pura, incluindo a coloração e o uso de meios de crescimento. Microbiologistas normalmente cultivam procariotos em laboratório usando um meio de cultura apropriado contendo todos os nutrientes necessários ao organismo-alvo. O meio pode ser líquido, caldo ou sólido. Após um tempo de incubação na temperatura certa, deve haver evidências de crescimento microbiano (Figura 6). O assistente de Koch, Julius Petri, inventou a placa de Petri, cujo uso persiste nos laboratórios de hoje. Koch trabalhou principalmente com o Mycobacterium tuberculosis bactéria causadora da tuberculose e desenvolveram diretrizes, denominadas postulados de Koch & # 8217s, para identificar os organismos responsáveis ​​por doenças específicas. Os postulados de Koch & # 8217s continuam a ser amplamente usados ​​na comunidade médica. Os postulados de Koch incluem que um organismo pode ser identificado como a causa da doença quando está presente em todas as amostras infectadas e ausente em todas as amostras saudáveis, e é capaz de reproduzir a infecção após ser cultivado várias vezes. Hoje, as culturas continuam sendo uma ferramenta diagnóstica primária na medicina e em outras áreas da biologia molecular.

Figura 6: Bactérias crescendo em placas de ágar sangue. Nessas placas de ágar, o meio de crescimento é suplementado com glóbulos vermelhos. O ágar sangue torna-se transparente na presença de Streptococcus hemolítico, que destrói os glóbulos vermelhos e é usado para diagnosticar infecções por Streptococcus. A placa à esquerda é inoculada com Staphylococcus não hemolítico (grandes colônias brancas), e a placa à direita é inoculada com Streptococcus hemolítico (minúsculas colônias claras). Se você olhar atentamente para a placa certa, pode ver que o ágar ao redor da bactéria tornou-se transparente. (crédito: Bill Branson, NCI)

Os postulados de Koch & # 8217s podem ser totalmente aplicados apenas a organismos que podem ser isolados e cultivados. Alguns procariontes, entretanto, não podem crescer em um ambiente de laboratório. Na verdade, mais de 99 por cento das bactérias e arqueas são não cultivável. Na maior parte, isso se deve à falta de conhecimento sobre o que alimentar esses organismos e como cultivá-los. Eles podem ter necessidades especiais de crescimento que permanecem desconhecidas dos cientistas, como a necessidade de micronutrientes específicos, pH, temperatura, pressão, co-fatores ou co-metabólitos. Algumas bactérias não podem ser cultivadas porque são parasitas intracelulares obrigatórios e não podem ser cultivadas fora de uma célula hospedeira.

Em outros casos, organismos cultiváveis tornam-se inculturais em condições estressantes, embora o mesmo organismo pudesse ser cultivado anteriormente. Os organismos que não podem ser cultivados, mas não estão mortos, estão em um estado viável, mas não cultivável (VBNC). O estado VBNC ocorre quando procariontes respondem a estressores ambientais entrando em um estado dormente que permite sua sobrevivência. Os critérios para entrar no estado VBNC não são completamente compreendidos. Em um processo chamado reanimação, o procarioto pode voltar à vida “normal” quando as condições ambientais melhorarem.

O estado VBNC é uma forma incomum de vida para procariontes? Na verdade, a maioria dos procariontes que vivem no solo ou em águas oceânicas não são cultiváveis. Foi dito que apenas uma pequena fração, talvez um por cento, dos procariotos pode ser cultivada em condições de laboratório. Se esses organismos não podem ser cultivados, como saber se eles estão presentes e vivos? Microbiologistas usam técnicas moleculares, como a reação em cadeia da polimerase (PCR), para amplificar porções selecionadas de DNA de procariotos, por exemplo, genes 16S rRNA, demonstrando sua existência. (Lembre-se de que a PCR pode fazer bilhões de cópias de um segmento de DNA em um processo chamado amplificação.)


Carl Woese

Em 1977, Carl Woese derrubou um dos maiores dogmas da biologia. Até aquele momento, os biólogos tinham como certo que toda a vida na Terra pertencia a uma das duas linhagens primárias, os eucariotos (que incluem animais, plantas, fungos e certos organismos unicelulares como paramécios) e os procariotos (todos os organismos microscópicos restantes). Woese descobriu que na verdade havia três linhagens primárias. Dentro do que antes era chamado de procariotos, existem dois grupos distintos de organismos não mais relacionados entre si do que eram com os eucariotos. Por causa do trabalho de Woese, agora é amplamente aceito que existem três divisões principais dos sistemas vivos - os Eukarya, Bacteria e Archaea, um esquema de classificação que Woese propôs em 1990.

O novo grupo de organismos - as Archaea - foi inicialmente pensado para existir apenas em ambientes extremos, nichos desprovidos de oxigênio e cujas temperaturas podem estar próximas ou acima do ponto de ebulição normal da água. Microbiologistas mais tarde perceberam que Archaea é um grupo grande e diverso de organismos amplamente distribuídos na natureza e comuns em habitats muito menos extremos, como solos e oceanos. Como tal, eles contribuem significativamente para os ciclos globais do carbono e do nitrogênio.

O método que Woese usou para identificar essa “terceira forma de vida”, que envolvia comparar as sequências de uma molécula específica central para a função celular, chamada de RNA ribossômico, tornou-se a abordagem padrão usada para identificar e classificar todos os organismos. Essas técnicas também revolucionaram a ecologia, porque agora é possível fazer o levantamento de um ecossistema por meio da coleta de DNA ribossômico do ambiente, evitando assim a tarefa muitas vezes impossível de cultivar os organismos que estão lá. Esses microrganismos e os métodos revolucionários que Woese introduziu na ciência podem oferecer insights sobre a natureza e a evolução das células.

Em 1996, Woese e colegas (professor da Universidade de Illinois Gary Olsen e pesquisadores do Institute for Genomic Research) publicaram na revista Ciência a primeira estrutura completa do genoma de um archaeon, Methanococcus jannaschii. Com base nesse trabalho, eles concluíram que as Archaea estão mais relacionadas aos humanos do que às bactérias. “As arquéias estão relacionadas a nós, aos eucariotos, eles são descendentes dos microrganismos que deram origem à célula eucariótica há bilhões de anos”, disse Woese na época.

As descobertas experimentais de Woese foram feitas no contexto de sua busca por uma compreensão profunda do processo de evolução. Já na década de 1970, Woese estava pensando sobre que tipo de teoria da evolução seria necessária na era anterior ao surgimento dos genes como os conhecemos. Nesse momento, a teoria da evolução da genética populacional padrão não seria aplicável. Woese articulou propostas precoces claras sobre a natureza do que veio a ser conhecido como o último ancestral comum universal, concluindo por uma variedade de razões que o ancestral universal não era um único organismo, mas sim agrupamentos de células fracamente estruturadas que existiam juntas durante um época em que as taxas de mutação genética eram altas e a transferência de genes entre as células ocorria com mais frequência do que hoje. A versão mais detalhada dessas propostas foi apresentada com base no trabalho de Woese aqui no IGB (com o professor Nigel Goldenfeld da Universidade de Illinois). Esses grupos de células primitivas, chamadas progenotas, evoluíram juntos e, por fim, formaram as três linhagens ancestrais.

“O trabalho de Carl, em minha opinião, é classificado junto com a teoria da supercondutividade como o trabalho científico mais importante já feito neste campus - ou mesmo em qualquer outro lugar”, diz o Dr. Nigel Goldenfeld, líder do tema de pesquisa IGB Biocomplexidade e de longa data colega do Dr. Woese. “Continua a ser uma das conquistas marcantes do século 20 na biologia e uma base sólida para a nossa compreensão crescente da evolução da vida.”

Woese faleceu em dezembro de 2012 aos 84 anos.

Publicações e recursos

Leia a publicação inovadora de 1977 “Estrutura filogenética do domínio procariótico: Os reinos primários”, de Carl R. Woese e George E. Fox, na qual Archaea, o terceiro domínio da vida, é identificado.

Os comentários sobre a publicação de 1977 incluem "Woese and Fox: Life, rearranged", de Prashant Nair, e "Phylogeny and beyond: Scientific, histórico e conceptual meaning of the first tree of life", de Norman R. Pace, Jan Sapp, e Nigel Goldenfeld.

O 30º aniversário do primeiro relatório da descoberta de Archaea foi comemorado em 2007 no IGB, com um simpósio que abordou os aspectos históricos da descoberta e como esse conhecimento transformou a ecologia microbiana. O programa, incluindo vídeos das apresentações, está disponível em archaea.igb.uiuc.edu.

Memorial Carl R. Woese

Em 26 de janeiro de 2013, um memorial foi realizado com vários palestrantes compartilhando suas lembranças de sua interação com Carl.

Os palestrantes incluíram o diretor do IGB, Gene Robinson, o presidente Robert Easter, da Universidade de Illinois (na marca de 4:20), o professor Larry Gold, da Universidade do Colorado (na marca de 9:15), o professor Nigel Goldenfeld (na marca de 16:20 ), Professor Richard Herman (na marca de 24:10), Professor Gary Olsen (na marca de 31:15), Professor Norman Pace, University of Colorado (na marca de 36:10), Professor Emérito Karl Stetter, Universität Regensburg ( na marca de 37:46), LAS Dean Ruth Watkins (na marca de 41:08), Chanceler Phyllis Wise (na marca de 47:05) e Professor Emérito Ralph Wolfe (na marca de 49:32). Os comentários do microfone aberto começam na marca 54:14.

Memórias compartilhadas por meio do livro de visitas online também podem ser vistas aqui.

Carl R. Woese Research Fund

As doações podem ser feitas ao Carl R. Woese Research Fund. O Dr. Woese aprovou este fundo para apoiar pesquisas sobre evolução, biologia de sistemas e dinâmica de ecossistemas no Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica. Os presentes podem ser enviados para a “Fundação da Universidade de Illinois” aos cuidados do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica, 1206 W. Gregory Drive, Urbana, IL 61801 ou através do site seguro https: //www.uif.uillinois. edu / Gifts / StartGiving.aspx. No final da página há uma seção "Gostaria que minha doação fosse destinada ao (s) seguinte (s) fundo (s) específico (s):" Especifique o valor da sua doação e no campo "Outros - indique para onde direcionar a doação aqui" digite “Carl R . Woese Research Fund ”na caixa. Clique no botão continuar na parte inferior da página e você será direcionado a uma página segura para informações de contato e cartão de crédito. Você terá a chance de revisar essas informações antes do envio.

Sobre o Dr. Woese

Carl Woese era professor de microbiologia na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e membro do corpo docente do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica. Ele recebeu o prêmio de "gênio" da Fundação John D. e Catherine T. MacArthur em 1984, e a Academia Nacional de Ciências o elegeu como membro em 1988. Em 1992, a Academia Real Holandesa de Ciências concedeu-lhe a mais alta honraria concedida a qualquer microbiologista , a Medalha Leeuwenhoek, concedida apenas uma vez a cada 10 anos. Ele recebeu a Medalha Nacional de Ciência em 2000 "por seus insights brilhantes e originais, por meio de estudos moleculares de sequências de RNA, para explorar a história da vida na Terra". Em 2003, a Real Academia Sueca de Ciências concedeu a Woese o Prêmio Crafoord de Biociências por sua descoberta do terceiro domínio da vida. O prêmio Crafoord homenageia cientistas cujo trabalho não se enquadra em nenhuma das categorias cobertas pelo Prêmio Nobel. A Royal Society, a organização científica continuamente ativa mais antiga do mundo, elegeu Woese como membro estrangeiro em 2006. Ele ocupou a cadeira Stanley O. Ikenberry Endowed Chair e atuou como Professor de Microbiologia do Centro de Estudos Avançados.


Biologia 171

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Explique a necessidade de fixação de nitrogênio e como isso é realizado
  • Descreva os efeitos benéficos das bactérias que colonizam nossa pele e trato digestivo
  • Identificar procariotos usados ​​durante o processamento de alimentos
  • Descreva o uso de procariotos na biorremediação

Felizmente, apenas algumas espécies de procariotos são patogênicas! Os procariotos também interagem com os humanos e outros organismos de várias maneiras benéficas. Por exemplo, procariontes são os principais participantes nos ciclos do carbono e do nitrogênio. Eles produzem ou processam nutrientes no trato digestivo de humanos e outros animais. Os procariotos são usados ​​na produção de alguns alimentos humanos e também foram recrutados para a degradação de materiais perigosos. Na verdade, nossa vida não seria possível sem procariontes!

Cooperação entre bactérias e eucariotos: fixação de nitrogênio

O nitrogênio é um elemento muito importante para os seres vivos, porque faz parte dos nucleotídeos e aminoácidos que são os blocos de construção dos ácidos nucléicos e das proteínas, respectivamente. O nitrogênio é geralmente o elemento mais limitante em ecossistemas terrestres, com nitrogênio atmosférico, N2, fornecendo o maior reservatório de nitrogênio disponível. No entanto, os eucariotos não podem usar nitrogênio gasoso atmosférico para sintetizar macromoléculas. Felizmente, o nitrogênio pode ser "fixado", o que significa que é convertido em uma forma mais acessível - amônia (NH3) - biologicamente ou abioticamente.

A fixação abiótica de nitrogênio ocorre como resultado de processos físicos, como raios ou por processos industriais. A fixação biológica de nitrogênio (BNF) é realizada exclusivamente por procariotos: bactérias do solo, cianobactérias e Frankia spp. (bactérias filamentosas interagindo com plantas actinorrízicas, como amieiro, bayberry e samambaia). Após a fotossíntese, o BNF é o processo biológico mais importante da Terra. A equação geral de fixação de nitrogênio abaixo representa uma série de reações redox (Pi significa fosfato inorgânico).

O nitrogênio total fixado por meio do BNF é de cerca de 100 a 180 milhões de toneladas métricas por ano, o que contribui com cerca de 65% do nitrogênio usado na agricultura.

As cianobactérias são os fixadores de nitrogênio mais importantes em ambientes aquáticos. No solo, membros dos gêneros Clostridium e Azotobacter são exemplos de bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre. Outras bactérias vivem simbioticamente com plantas leguminosas, fornecendo a fonte mais importante de nitrogênio fixo. Simbiontes podem fixar mais nitrogênio no solo do que organismos de vida livre por um fator de 10. Bactérias do solo, coletivamente chamadas de rizóbio, são capazes de interagir simbioticamente com leguminosas para formar nódulos, estruturas especializadas onde ocorre a fixação de nitrogênio ((Figura)). Nitrogenase, a enzima que fixa o nitrogênio, é inativada pelo oxigênio, de modo que o nódulo fornece uma área livre de oxigênio para que ocorra a fixação do nitrogênio. O oxigênio é sequestrado por uma forma de hemoglobina vegetal chamada leghemoglobina, que protege o nitrogenase, mas libera oxigênio suficiente para apoiar a atividade respiratória.

A fixação simbiótica de nitrogênio fornece um fertilizante natural e barato para as plantas: reduz o nitrogênio atmosférico a amônia, que é facilmente utilizável pelas plantas. O uso de leguminosas é uma excelente alternativa à fertilização química e é de especial interesse para Agricultura sustentável, que busca minimizar o uso de produtos químicos e conservar os recursos naturais. Por meio da fixação simbiótica de nitrogênio, a planta se beneficia do uso de uma fonte infinita de nitrogênio: a atmosfera. As bactérias se beneficiam com o uso de fotossintatos (carboidratos produzidos durante a fotossíntese) da planta e com um nicho protegido. Além disso, o solo se beneficia de ser fertilizado naturalmente. Portanto, o uso de rizóbios como biofertilizantes é uma prática sustentável.

Por que as leguminosas são tão importantes? Alguns, como a soja, são fontes importantes de proteína agrícola. Algumas das leguminosas mais importantes consumidas por humanos são soja, amendoim, ervilha, grão de bico e feijão. Outras leguminosas, como a alfafa, são usadas para alimentar o gado.

As bactérias comensais que habitam nossa pele e trato gastrointestinal fazem uma série de coisas boas para nós. Eles nos protegem de patógenos, nos ajudam a digerir nossos alimentos e a produzir algumas de nossas vitaminas e outros nutrientes. Essas atividades são conhecidas há muito tempo. Mais recentemente, os cientistas reuniram evidências de que essas bactérias também podem ajudar a regular nosso humor, influenciar nossos níveis de atividade e até mesmo ajudar a controlar o peso, afetando nossas escolhas alimentares e padrões de absorção. O Projeto Microbioma Humano iniciou o processo de catalogação de nossas bactérias normais (e arqueas) para que possamos compreender melhor essas funções.

Um exemplo particularmente fascinante de nossa flora normal se relaciona com nosso sistema digestivo. Pessoas que tomam altas doses de antibióticos tendem a perder muitas de suas bactérias intestinais normais, permitindo uma espécie naturalmente resistente a antibióticos chamada Clostridium difficile crescer demais e causar problemas gástricos graves, especialmente diarreia crônica ((Figura)). Obviamente, tentar tratar esse problema com antibióticos só piora a situação. No entanto, foi tratada com sucesso, dando aos pacientes transplantes fecais de doadores saudáveis ​​para restabelecer a comunidade microbiana intestinal normal. Ensaios clínicos estão em andamento para garantir a segurança e eficácia desta técnica.

Os cientistas também estão descobrindo que a ausência de certos micróbios-chave em nosso trato intestinal pode nos preparar para uma variedade de problemas. Isso parece ser particularmente verdadeiro no que diz respeito ao funcionamento adequado do sistema imunológico. Existem descobertas intrigantes que sugerem que a ausência desses micróbios é um contribuinte importante para o desenvolvimento de alergias e de alguns distúrbios autoimunes. A pesquisa está em andamento para testar se a adição de certos micróbios ao nosso ecossistema interno pode ajudar no tratamento desses problemas, bem como no tratamento de algumas formas de autismo.

Biotecnologia precoce: queijo, pão, vinho, cerveja e iogurte

De acordo com a Convenção das Nações Unidas sobre Diversidade Biológica, biotecnologia é “qualquer aplicação tecnológica que use sistemas biológicos, organismos vivos ou seus derivados, para fazer ou modificar produtos ou processos para uso específico. & # 8221 1 O conceito de“ uso específico ” envolve algum tipo de aplicação comercial. Engenharia genética, seleção artificial, produção de antibióticos e cultura de células são tópicos atuais de estudo em biotecnologia e serão descritos em capítulos posteriores. No entanto, os humanos usavam procariontes antes mesmo de o termo biotecnologia ser cunhado. Alguns dos produtos dessa biotecnologia inicial são tão familiares como queijo, pão, vinho, cerveja e iogurte, que empregam bactérias e outros micróbios, como levedura, um fungo ((Figura)).

A produção de queijo começou por volta de 4.000 a 7.000 anos atrás, quando os humanos começaram a criar animais e processar seu leite. A fermentação, neste caso, preserva os nutrientes: o leite se deteriora de forma relativamente rápida, mas quando processado como queijo, é mais estável. Quanto à cerveja, os registros mais antigos de fabricação de cerveja têm cerca de 6.000 anos e foram parte integrante da cultura suméria. As evidências indicam que os sumérios descobriram a fermentação por acaso. O vinho é produzido há cerca de 4.500 anos e as evidências sugerem que produtos lácteos cultivados, como o iogurte, existem há pelo menos 4.000 anos.

Usando procariontes para limpar nosso planeta: biorremediação

A biorremediação microbiana é o uso de procariotos (ou metabolismo microbiano) para remover poluentes. A biorremediação tem sido usada para remover produtos químicos agrícolas (por exemplo, pesticidas, fertilizantes) que vazam do solo para as águas subterrâneas e subsuperfície. Certos metais tóxicos e óxidos, como selênio e compostos de arsênio, também podem ser removidos da água por biorremediação. A redução de SeO4 -2 para SeO3 -2 e Se 0 (selênio metálico) é um método usado para remover íons de selênio da água. O mercúrio (Hg) é um exemplo de metal tóxico que pode ser removido de um ambiente por biorremediação. Como ingrediente ativo de alguns pesticidas, o mercúrio é usado na indústria e também é um subproduto de certos processos, como a produção de baterias. O metilmercúrio está geralmente presente em concentrações muito baixas em ambientes naturais, mas é altamente tóxico porque se acumula nos tecidos vivos. Várias espécies de bactérias podem realizar a biotransformação do mercúrio tóxico em formas não tóxicas. Essas bactérias, como Pseudomonas aeruginosa, pode converter Hg +2 em Hg 0, o que não é tóxico para os humanos.

Um dos exemplos mais úteis e interessantes do uso de procariotos para fins de biorremediação é a limpeza de derramamentos de óleo. A importância dos procariotos para a biorremediação do petróleo foi demonstrada em vários derramamentos de óleo nos últimos anos, como o derramamento de Exxon Valdez no Alasca (1989) ((Figura)), o derramamento de óleo Prestige na Espanha (2002), o derramamento no Mediterrâneo de uma usina no Líbano (2006) e, mais recentemente, o derramamento de óleo da BP no Golfo do México (2010). No caso de derramamentos de óleo no oceano, a biorremediação natural contínua tende a ocorrer, uma vez que há bactérias consumidoras de óleo no oceano antes do derramamento. Além dessas bactérias degradadoras de óleo de ocorrência natural, os humanos selecionam e projetam bactérias que possuem a mesma capacidade com maior eficácia e espectro de compostos de hidrocarbonetos que podem ser processados. A biorremediação é aprimorada pela adição de nutrientes inorgânicos que ajudam as bactérias a crescer.

Algumas bactérias degradadoras de hidrocarbonetos se alimentam de hidrocarbonetos na gota de óleo, quebrando os hidrocarbonetos em subunidades menores. Algumas espécies, como Alcanivorax borkumensis, produzem surfactantes que solubilizar o óleo (tornando-o solúvel em água), enquanto outras bactérias degradam o óleo em dióxido de carbono. Em condições ideais, foi relatado que até 80 por cento dos componentes não voláteis do óleo podem ser degradados em um ano após o derramamento. Outras frações de óleo contendo cadeias de hidrocarbonetos aromáticos e altamente ramificados são mais difíceis de remover e permanecem no ambiente por longos períodos de tempo.

Resumo da Seção

Os patógenos são apenas uma pequena porcentagem de todos os procariontes. Na verdade, os procariontes fornecem serviços essenciais para humanos e outros organismos. O nitrogênio, que não é utilizável pelos eucariotos em sua forma atmosférica abundante, pode ser "fixado" ou convertido em amônia (NH3) biologicamente ou abioticamente. A fixação biológica de nitrogênio (BNF) é realizada exclusivamente por procariotos e constitui o segundo processo biológico mais importante da Terra. Embora algum nitrogênio terrestre seja fixado por bactérias de vida livre, a maior parte do BNF vem da interação simbiótica entre os rizóbios do solo e as raízes das leguminosas.

A vida humana só é possível devido à ação dos micróbios, tanto os do meio ambiente quanto as espécies que nos chamam de casa. Internamente, eles nos ajudam a digerir nossa comida, produzem nutrientes vitais para nós, nos protegem de micróbios patogênicos e ajudam a treinar nosso sistema imunológico para funcionar adequadamente.

A biorremediação microbiana é o uso do metabolismo microbiano para remover poluentes. A biorremediação tem sido usada para remover produtos químicos agrícolas que vazam do solo para as águas subterrâneas e subsuperficiais. Metais e óxidos tóxicos, como selênio e compostos de arsênio, também podem ser removidos por biorremediação. Provavelmente, um dos exemplos mais úteis e interessantes do uso de procariotos para fins de biorremediação é a limpeza de derramamentos de óleo.

Resposta livre

Seu amigo acredita que procariontes são sempre prejudiciais e patogênicos. Como você explicaria a eles que estão errados?

Lembre-os dos importantes papéis que os procariontes desempenham na decomposição e na liberação de nutrientes em ciclos biogeoquímicos, lembre-os dos muitos procariontes que não são patógenos humanos e que preenchem nichos muito especializados. Além disso, nossos simbiontes bacterianos normais são cruciais para nossa digestão e para nos proteger de patógenos.

Muitas pessoas usam sabonete antimicrobiano para matar bactérias em suas mãos. No entanto, o uso excessivo pode realmente aumentar o risco de infecção. Como isso pode ocorrer?

O sabão mata indiscriminadamente as bactérias da pele. Isso mata as bactérias nocivas, mas também pode eliminar bactérias “boas” da pele. Quando as bactérias não patogênicas são eliminadas, as bactérias patogênicas podem colonizar a superfície vazia.

Notas de rodapé

Glossário


Assista o vídeo: Cómo hacer un medio de cultivo para sembrar bacterias (Janeiro 2022).