arqueobactérias prof. fabricio rochedo conceição fabricio.rochedo@ufpel.edu.br 26 de junho de...

ArqueobactériasArqueobactérias

Prof. Fabricio Rochedo Conceiçãofabricio.rochedo@ufpel.edu.br

26 de junho de 2010

Graduação em BiotecnologiaDisciplina de Biotecnologia Microbiana II

Compreendem um grupo heterogêneo de

microrganismos procarióticos que podem ser

caracterizados, em sua maioria, como habitantes de

ambientes inóspitos, geralmente crescendo em

condições consideradas até então como extremas e

limítrofes para a vida

DEFINIÇÃODEFINIÇÃODEFINIÇÃODEFINIÇÃO

Por volta da década de 70, vários organismos procarióticos

foram isolados a partir de uma série de ambientes considerados

inóspitos, quase que incompatíveis com a presença de seres vivos.

Temperaturas elevadas (próximas a 100ºC)

Extrema acidez ou alcalinidade (pH 2 e 10)

Altas salinidades (até 32%, 5,5 M NaCl)

*** Salinidade média de oceanos é cerca de 3,5%.

Muitas vezes, ausência completa de oxigênio

HISTÓRICOHISTÓRICOHISTÓRICOHISTÓRICO

Estes ambientes inóspitos correspondem às possíveis condições encontradas na Terra primitiva

Células primitivas, "fósseis vivos", representando as formas de vida ancestrais das bactérias modernas

Por isso estes microrganismos foram denominados "arqueobactérias"

ETIMOLOGIAETIMOLOGIAETIMOLOGIAETIMOLOGIA

?

Carl Woese e colaboradores (1977) realizaram estudos comparativos de sequências de rDNA 16S e 23S de diferentes organismos

FILOGENIAFILOGENIA

AO ANALISAR ESTA ÁRVORE FILOGENÉTICA, AS ARQUEOBACTÉRIAS ...

AO ANALISAR ESTA ÁRVORE FILOGENÉTICA, AS ARQUEOBACTÉRIAS ...

NÃO correspondem aos ancestrais das bactérias atuais, visto que sua possível origem ocorre quase que concomitantemente à origem das bactérias mais primitivas.

OCUPAM uma posição intermediária entre Bacteria e Eucarya, sugerindo que são organismos diferentes de bactérias e de células eucarióticas.

DE FATO, estudos genéticos e fisiológicos posteriores revelaram que tais organismos apresentam características de bactérias, de eucariotos, além de características exclusivas, não encontradas em qualquer outro domínio. Por esta razão, deixaram de ser denominadas "arqueobactérias", recebendo a denominação Archaea.

DOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEA

Ambientes inóspitos;

Ambientes aquáticos frios (podem corresponder a 34% da biomassa procariótica das águas costeiras superficiais da Antártida)

Sistema digestório do homem e outros animais

Pântanos

Aterros sanitários

Tecidos vegetais;

Metanogênicas endossimbiontes em protozoários;

Podem ser encontradas nos mais diversos ecossistemas. Não seria absurdo cogitar que no futuro sejam descobertas archaea patogênicas para o homem e outros seres vivos.

HABITATSHABITATSHABITATSHABITATS

CLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICA

Três filos: Crenarchaeota, Euryarchaeota e Korarchaeota

Crenarchaeota é composto por organismos hipertermófilos, como Thermoproteus, Pyrolobus e Pyrodictium. São, em sua maioria, quimioautotróficos. Neste grupo há também organismos isolados (mas ainda não cultivados em laboratório) de ambientes frios, tais como águas oceânicas.

Lagoa quente, rica em enxofre, que é convertido a ácido sulfúrico por espécies de

archaea

Sulfolobus, exemplo de uma archaea do filo Crenarchaeota, habitante da lagoa ilustrada ao lado

Euryarchaeota é um filo composto por dois grupos:

1) metanogênicas, que são ANAERÓBIAS. Ex: Methanococcus, Methanobacterium e Methanosarcina

2) halofílicas extremas, que são aeróbias. Ex: Halobacterium e Halococcus. Geralmente coram-se como Gram negativas, não apresentam esporos e, em sua maioria, são imóveis. Geralmente possuem grandes plasmídeos (25 a 30% do DNA da célula)

Lago hipersalino no Egito, rico em carbonato de sódio. O pH destas águas

encontra-se na faixa de 10, sendo habitado por archaea halófilas extremas,

tais como Halobacterium salinarum

Thermoplasma, uma archaea desprovida de

parede celular

Pilha de refugo da mineração de carvão, que muitas vezes sofre auto-combustão. Hábitat da

archaea Thermoplasma

Korarchaeota é composto quase que somente por

isolados identificados a partir do sequenciamento de

16S rRNA, sendo considerado um grupo de

hipertermófilos. Até o momento, poucos espécimes de

Korarchaeota foram cultivados em laboratório

CLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICA

ARCHAEAARCHAEAARCHAEAARCHAEA

ESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULAR

Podem ser esféricas, bacilares, espiraladas, achatadas, quadradas, discóides e muitas vezes de morfologia irregular ou pleomórficas

Suas dimensões são extremamente variáveis, de 0,1 a 15 µm, com alguns filamentosos atingindo 200 µm

Características especiais, que permitem seu desenvolvimento em uma vasta gama de ambientes

Parede celular

- composição e estrutura variáveis

- ausência de peptoglicano

- lisozima e penicilina não atuam

Membrana Citoplasmática: composição química e arranjo totalmente diferentes das membranas citoplasmáticas de quase todas as eubactérias e eucariotos.

Membrana Bacteria Archaea Eukarya

Conteúdo protéico

alto alto baixo

Composição lipídica

fosfolipídeos

sulfolipídeos, glicolipídeos,

hidrocarbonetos ramificados,

isoprenoides, fosfolipídeos

fosfolipídeos

Estrutura dos lipídeos

cadeia linear cadeia ramificada cadeia linear

Ligação dos lipídeos

ésterCH2-OCOR

éter (di e tetraeter)CH2-OR éster

Ligação éter

Isoprenos ramificados

Anéis de ciclopentano

Aumenta estabilidade

(resistência à hidrólise e elevadas temperaturas)

Enzimas termofílicas e termoestáveis

- Substituição de aa associados a conformação flexível (glicina, serina e alanina) por aa associados com rigidez (treonina, valina e prolina)

- Substituição de aa com grupamentos quimicamente ativos (cisteína, metionina e asparagina)

- Maior taxa de arginina:lisina, que promove interações polares fortes

- Imobilização dentro de uma matriz insolúvel

Cromossomo: único e circular como no domínio Bacteria. Por

outro lado, sua organização é semelhante aos eucariotos, uma vez

que o DNA está associado à histonas. Superenrolamento positivo,

enquanto em eucariotos é negativo

Presença de íntrons em genes de RNA de hipertermófilos e halófilos

Hipertermófilas com conteúdo G + C mais elevado

  Bacteria Archaea EukaryaCarioteca Não Não Sim

Nucleossomos/histonas Não SIm SIm

Operons/RNAm policistrônicos

SIm SIm Não

Introns Não Não SIm

proteína de ligação à TATA box

Não SIm SIm

Organelas Não Não SIm

Cromossomos Um, circular Um, circular Mais que um, linear

RNA polimerase Uma, simplesMais que uma, complexas

Mais que uma, complexas

Aminoácido de iniciação protéica

N-formil metionina Metionina Metionina

Sensibilidade da síntese de proteína à toxina diftérica

Insensível Sensível Sensível

Peptoglicano Sim Não Não

Síntese de proteína

fatores de iniciação proteínas ribossômicas fatores de alongamento Archaea é mais semelhante à Eukarya do que à Bacteria

ARCHAEAARCHAEAARCHAEAARCHAEA

METABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMO

Quimioheterotróficas

Quimioautotróficas

Fermentação é rara. Ex: Hyperthermus butylicus

As arqueas metanogênicas apresentam vias bioquímicas raras, que através de sistemas enzimáticos únicos, produzem o gás metano (CH4)

Via glicolítica ausente nas arqueas

A glicose é catabolisada por uma via oxidativa simples

O ciclo de Krebs é reduzido

ARCHAEAARCHAEA E BIOTECNOLOGIAE BIOTECNOLOGIAARCHAEAARCHAEA E BIOTECNOLOGIAE BIOTECNOLOGIA

Produção de energia (biogás e álcool)

Produção de ácidos orgânicos, antibióticos, aa

Tratamento de efluentes

PCR

Enzimas “extremófilas”, biocatálise industrial

Polímeros biodegradáveis (PHB)

Mineração (cobre, ouro, urânio)

Plantas transgênicas (genes de halófilas) ...