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Microbiologia e Imunologia Faculdade Flama 1/2013 Profª Elisangela Freitas

Microbiologia

1 IntroduçãoA ciência da Microbiologia [do grego: mikros (“pequeno”), bios (“vida”) e logos (“ciência”)] é o estudo dos organismos microscópicos e de suas atividades.Preocupa-se com a forma, a estrutura, a reprodução, a fisiologia, o metabolismo e a identificação dos seres microscópicos. Inclui o estudo da sua distribuição natural, suas relações recíprocas e com outros seres vivos, seus efeitos benéficos e prejudiciais sobre os homens e as alterações físicas e químicas que provocam em seu meio ambiente.Em sua maior parte, a Microbiologia trata com organismos microscópicos unicelulares. Nas assim chamadas formas superiores de vida, os organismos são compostos de muitas células, que constituem tecidos altamente especializados e órgãos destinados a exercer funções específicas. Nos indivíduos unicelulares, todos os processos vitais são realizados numa única célula. Independentemente da complexidade de um organismo, a célula é, na realidade, a unidade básica da vida.Todas as células vivas são basicamente semelhantes.Todos os sistemas biológicos têm as seguintes características comuns:1) habilidade de reprodução; 2) capacidade de ingestão ou assimilação de substâncias alimentares, metabolizando-as para suas necessidades de energia e de crescimento; 3) habilidade de excreção de produtos de escória; 4) capacidade de reagir a alterações do meio ambiente (algumas vezes chamada de "irritabilidade"), e 5) suscetibilidade à mutação.

Os princípios da Biologia podem ser demonstrados através do estudo da Microbiologia, pois os microrganismos têm muitas características que os tornam instrumentos ideais para a pesquisa dos fenômenos biológicos. Os microrganismos fornecem sistemas específicos para a investigação das reações fisiológicas, genéticas e bioquímicas, que são a base da vida. Eles podem crescer, de maneira conveniente, em tubos de ensaio ou frascos, exigindo, assim, menos espaço e cuidados de manutenção do que as plantas superiores e os animais. Além disso, crescem rapidamente e se reproduzem num ritmo muito alto; algumas espécies bacterianas demonstram quase 100 gerações num período de 24 horas. Os processos metabólicos dos microrganismos seguem os padrões que ocorrem nos vegetais superiores e nos animais. As leveduras, por exemplo, utilizam a glicose, basicamente do mesmo modo que as células dos tecidos de mamíferos, revelando que o mesmo sistema enzimático está presente nestes organismos tão diversos.Em Microbiologia pode-se estudar os organismos em grande detalhe e observar seus processos vitais durante o crescimento, a reprodução, o envelhecimento e a morte.Modificando-se a composição do meio ambiente, é possível alterar as atividades metabólicas, regular o crescimento e, até alterar alguns detalhes do padrão genético, tudo sem causar a destruição do microrganismo.

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Os principais grupos de microrganismos são os protozoários, fungos, algas e bactérias. Os vírus, apesar de não serem considerados vivos, têm algumas característicasde células vivas e por isso são estudados como microrganismos. Os microrganismos, portanto, são encontrados em três dos cinco reinos: reino Monera (bactérias e cianobactérias), reino Protista (algas microscópicas e protozoários) e reino Fungi (leveduras e bolores).

Distribuição dos Microrganismos na Natureza

Os microrganismos se encontram em praticamente todos os lugares da natureza.São transportados por correntes aéreas desde a superfície da Terra até as camadas superiores da atmosfera. Mesmo os microrganismos típicos dos oceanos podem ser achados a muitos quilômetros de distância, no alto de montanhas. São encontrados em sedimentos no fundo do mar, em grandes profundidades. São carregados por correntes fluviais e até mares; e, se dejetos humanos contendo bactérias patogênicas forem despejados em correntes de água, a doença pode disseminar-se de um lugar para outro.Os microrganismos ocorrem mais abundantemente onde puderem encontrar alimentos, umidade e temperatura adequados para seu crescimento e multiplicação. Uma vez que as condições que favorecem a sobrevivência e o crescimento de muitos microrganismos são as mesmas sob as quais vivem as populações humanas, é inevitável que vivamos entre grande quantidade de microrganismos. Eles estão no ar que respiramos e no alimento que ingerimos. Estão na superfície de nosso corpo, em nosso trato digestivo, na boca, no nariz e em outros orifícios naturais. Felizmente, a maioria dos microrganismos é inócua para o homem, e este tem meios de resistir à invasão daqueles que são potencialmente patogênicos.

A Evolução da Microbiologia

A Microbiologia começou quando se aprendeu a polir lentes, feitas a partir de peças de vidro, e a combiná-las até produzir aumentos suficientemente grandes que possibilitassem a visualização dos microrganismos. Durante o século XIII, Roger Bacon postulou que a doença era produzida por seres vivos invisíveis. A sugestão foi novamente feita por Fracastoro de Verona (1483-1553) e por Von Plenciz, em 1762, mas estes autores não dispunham de provas. No início de 1658, um monge chamado Kircher se referiu a "vermes" invisíveis a olho desarmado nos corpos em decomposição, no pão, no leite e em excreções diarréicas. Em 1665, Robert Hooke viu e descreveu células em um pedaço de cortiça. Estabeleceu o fato de que os organismos de "animais e plantas, complexos que sejam, são compostos de algumas partes elementares que se repetem freqüentemente" - citação não devida a Hooke, mas originada da descrição de Aristóteles sobre a estrutura celular das coisas vivas, datadas do século IV a.C.Embora não tenha sido, provavelmente, o primeiro a ver as bactérias e os protozoários, o holandês Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723), foi o primeiro a relatar suas observações, com descrições precisas e desenhos.

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A palavra bactéria vem do termo bacterium, que foi introduzido pelo alemão C.G. Ehrenberg, em 1828, como uma denominação genérica para certos tipos bacterianos representativos. Deriva da palavra grega que significa "pequeno bastão". A palavra micróbio foi introduzida em 1878 pelo cirurgião francês, Charles-Emmanuel Sedillot.

Geração Espontânea versus Biogênese

A descoberta dos microrganismos focalizou o interesse científico sobre a origem dos seres vivos. No que se refere às formas superiores de vida, Aristóteles (384-322 a.C.) pensava que os animais podiam se originar, espontaneamente, do solo, de plantas e de outros animais diferentes, e sua influência ainda atingiu o século XVII.Era aceito como fato, por exemplo, que as larvas podiam ser produzidas pela exposição da carne a o calor e ao ar, embora Francesco Redi (1626-1697) duvidasse do mesmo. Ele realizou uma experiência na qual colocou carne numa jarra coberta com gaze. Atraídas pelo odor da carne, as moscas puseram seus ovos sobre a cobertura e, destes, emergiram as larvas. Esta experiência e outras parecem ter resolvido o assunto, ao menos no que se referia a tais formas vivas. Com os microrganismos, contudo, era diferente; seguramente eles não tinham pais.Em 1749, John Needham (1713-1781), trabalhando com carne exposta a cinzas quentes, observou o aparecimento de microrganismos que não existiam no início da experiência, concluindo que as bactérias tinham se originado da carne. Quase que ao mesmo tempo, Spallanzani (1729-1799) ferveu caldo de carne durante uma hora, fechando logo a seguir os frascos. Nenhum microrganismo apareceu, mas seus resultados, ainda que repetidos, não convenceram Needham. Este insistia em que o ar era essencial para a produção espontânea dos seres microscópicos, e este ar tinha sido excluído dos frascos pelo fechamento. 60 a 70 anos mais tarde dois pesquisadores responderam a este argumento. Franz Schulze (1815-1873) aerava infusões fervidas, fazendo o ar atravessar soluções fortemente ácidas, enquanto Theodor Schwann (1810- 1882) forçava o ar através de tubos aquecidos ao rubro. Em nenhum dos casos surgiram os micróbios. Os adeptos da geração espontânea não se convenceram, dizendo que o ácido e o calor é que não permitiram o crescimento dos micróbios. Por volta de 1850, Schröder e Von Dush realizaram uma experiência mais convincente, fazendo o ar passar através do algodão para frascos que continham o caldo aquecido. Assim, as bactérias foram retidas pelas fibras de algodão, tanto que não houve seu desenvolvimento.O conceito de geração espontânea foi revivido, pela última vez, por Pouchet, que publicou em 1859, um relatório, provando sua ocorrência. Pouchet foi rebatido por Louis Pasteur (1822-1895). Este preparou um frasco com colo longo, estreito, em pescoço de cisne . As soluções nutritivas foram aquecidas no frasco e o ar - não-tratado e não-filtrado - podia passar para dentro ou para fora. Os micróbios, porém, depositavam-se no pescoço de cisne e não apareciam na solução.Finalmente, John Tyndall (1820-1893) efetuou experiências numa caixa especialmente desenhada para provar que a poeira carrega os micróbios . Se não

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houver poeira, o caldo estéril ficará livre de crescimento microbiano por períodos de tempo indefinidos.Os aparelhos utilizados nas experiências acima descritas estão ilustrados na figura 2.

Teoria Microbiana das Doenças

Antes de Pasteur ter provado experimentalmente que as bactérias são a causa de algumas doenças, muitos observadores já argumentavam a favor desta teoria. Fracastoro de Verona sugeriu que as doenças podiam ser devidas a organismos invisíveis, transmitidos de uma pessoa para outra. Em 1762, Von Plenciz, de Viena, não apenas estabeleceu que seres vivos eram causas de doenças, como também suspeitou que microrganismos diferentes eram responsáveis por enfermidades diferentes. O médico Oliver W. Holmes (1809-1894) insistia que a febre puerperal era contagiosa e, provavelmente, causada por um germe transmitido de uma mãe para outra por intermédio das parteiras e dos médicos. Quase na mesma época, o médico húngaro Ignaz P. Semmelweis (1818-1865) introduzia o uso de antissépticos na prática obstétrica.Na França, Louis Pasteur estudou os métodos e processos envolvidos na fabricação de vinhos e cervejas. Observou que a fermentação das frutas e dos grãos, resultando em álcool, era efetuada por micróbios. Examinando muitas amostras de "fermentos", isolou micróbios de espécies diferentes. Nos bons lotes, predominava um tipo; nos produtos pobres, outro tipo estava presente. Selecionando adequadamente o microrganismo, o fabricante podia estar seguro de conseguir produtos bons e uniformes.Porém os micróbios já estavam nos sucos; deviam ser removidos e fermentação iniciada com uma cultura proveniente de um tonel que tinha sido satisfatório. Pasteur sugeriu que os tipos indesejáveis de microrganismos deveriam ser eliminados pelo calor, não tão intenso que prejudicasse o gosto do suco de fruta,

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mas suficiente para tornar inócuo os germes. Observou que, mantendo os sucos a uma temperatura de 62-63 º C, durante uma hora e meia, obtinha o resultado desejado. Este processo tornou-se conhecido como pasteurização e hoje é amplamente utilizado nas indústrias de fermentação, porém é a indústria dos derivados do leite que está mais familiarizada com este método, visando a destruição dos microrganismos patogênicos, presentes no leite.Na Alemanha, o médico Robert Koch (1843-1910) estudou o problema do carbúculo hemático, que é uma doença do gado bovino, caprino e, às vezes, do homem.Ele descobriu os bacilos típicos com extremidades cortadas em ângulos retos, no sangue de animais mortos pela infecção carbunculosa. Inoculou as bactérias em meios de cultura, em seu laboratório, examinou-as ao microscópio para estar seguro de que apenas uma espécie tinha se desenvolvido e injetou-as em outros animais para verificar se estes se tornavam doentes e desenvolviam os sintomas clínicos do carbúnculo hemático. A partir destes animais experimentais, Koch isolou micróbios iguais aos que tinha encontrado originalmente nos carneiros infectados. Esta foi a primeira vez que uma bactéria foi comprovada como causa de uma doença animal. A partir disto foram estabelecidos os postulados de Koch: 1) Um microrganismo específico pode sempre ser encontrado em associação com uma dada doença.2) O organismo pode ser isolado e cultivado, em cultura pura, no laboratório. 3) A cultura pura produzirá a doença quando inoculada em animal sensível. 4) É possível recuperar o microrganismo, em cultura pura, dos animais experimentalmente infectados.

Caracterização e Classificação dos Microrganismos

A caracterização e a classificação dos organismos vivos são o principal objetivo em todos os ramos da Ciência Biológica. A partir do momento em que um organismo é completamente conhecido, torna-se possível fazer comparações com outros, determinando semelhanças e diferenças. As comparações das características de grande número de microrganismos resultam, eventualmente, num sistema de agrupamento das espécies semelhantes. Por fim, cria-se um grupo com características muito semelhantes, que é considerado como uma espécie e recebe um nome específico, isto é, o microrganismo adquire um nome.Por serem individualmente tão pequenos que não podem ser visualizados sem ajuda de um microscópio, não é prático trabalhar com um único indivíduo. Por esta razão estudam-se culturas, que contêm milhares, milhões e até mesmo bilhões de indivíduos. Uma cultura que consiste em uma única espécie de microrganismo (uma espécie viva), independentemente do número de indivíduos, num ambiente livre de outros organismos vivos, é chamada de cultura axênica. Os microbiologistas usualmente se referem a tais culturas como culturas puras, embora, no sentido técnico estrito, a cultura pura seja aquela que se origina do crescimento de uma única célula. Se dois ou mais tipos (espécies) crescem juntos, como normalmente ocorre na natureza, passam a constituir uma cultura mista.Antes de identificar e classificar um microrganismo, suas características devem ser determinadas com detalhes adequados. As principais incluem as seguintes:

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1. Características culturais: os nutrientes exigidos para o crescimento e as condições físicas do ambiente que favorecem o desenvolvimento.2. Características morfológicas: as dimensões das células, seus arranjos, a diferenciação e a identificação de suas estruturas.3. Características metabólicas: a maneira pela qual os microrganismos desenvolvem os processos químicos vitais.4. Características da composição química: a identificação dos principais e típicos constituintes químicos da célula.5. Características antigênicas: a detecção de componentes especiais da célula (químicos) que fornecem evidências de semelhança entre as espécies.6. Características genéticas: a análise da composição do ácido desoxirribonucleico (DNA), assim como a determinação das relações entre o DNA isolado de diferentes microrganismos.A maioria das características acima citadas é determinada através de testes laboratoriais, que incluem o uso de diferentes meios e diferentes reações químicas. No entanto, um dos instrumentos mais poderosos na investigação é o microscópio. A tabela 1 resume as características essenciais e aplicações dos diferentes tipos de microscopia.

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2 BACTÉRIAS

Morfologia e Ultra-Estrutura das Bactérias

Entre as principais características das células bacterianas estão suas dimensões, forma, estrutura e arranjo. Estes elementos constituem a morfologia da célula (figura 3).Embora existam milhares de espécies bacterianas diferentes, os organismos isolados apresentam uma das três formas gerais: elipsoidal ou esférica, cilíndrica ou em bastonete e espiralada.As células bacterianas esféricas ou elipsoidais são chamadas de cocos e podem apresentar os arranjos vistos na figura 4.As células bacterianas cilíndricas ou em bastonetes (bacilos) comumente apresentam-se isoladas e ocasionalmente ocorrem aos pares (diplobacilos) ou em cadeias (estreptobacilos) (figura 5).As bactérias espiraladas (singular = spirillum; plural = spirilla) ocorrem, predominantemente, como células isoladas. As células individuais de espécies diferentes exibem, contudo, nítidas diferenças no comprimento, número e amplitude das espirais e na rigidez das paredes celulares. As bactérias curtas com espiras incompletas são conhecidas como bactérias comma ou vibriões (figura 6). A unidade de medida das bactérias é o micrômetro, que equivale a 10-³ mm. As bactérias mais freqüentemente estudadas em laboratório medem, aproximadamente, 0,5 a 1,0 μm por 2,0 a 5,0 μm. Os estafilococos e estreptococos, por exemplo, têm diâmetros variáveis entre 0,75 e 1,25 μm. As formas cilíndricas, tais como o bacilo da febre tifóide e da disenteria, apresentam uma largura de 0,5 a 1,0 μm e um comprimento de 2 a 3 μm. Algumas formas filamentosas podem exceder os 100 μm de comprimento, mas seu diâmetro está, de modo característico, entre 0,5 e 1,0 μm.A figura 7 mostra o tamanho comparativo de uma célula de uma bactéria, um vírus e um protozoário.

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