microbiologia de brock - 12.ed. cap_01

Micro-organismos são células microscópicas e de vida independente

que, assim como os humanos, vivem em comunidades.

I INTRODUÇÃO À

MICROBIOLOGIA 2

1.1 Microbiologia 2

1.2 Micro-organismos como células 3

1.3 Micro-organismos e seus ambientes naturais 5

1.4 A antiguidade e a extensão da vida microbiana 6

1.5 O impacto dos micro-organismos nos seres humanos 7

II OS CAMINHOS DOS

DESCOBRIMENTOS DA MICROBIOLOGIA 10

1.6 As raízes históricas da microbiologia: Hooke, Van Leeuwenhoek e Cohn 10

1.7 Pasteur e a derrota da teoria da geração espontânea 12

1.8 Koch, doença infecciosa e surgimento da microbiologia de cultura pura 14

1.9 Diversidade microbiana e o advento da microbiologia geral 18

1.10 A era moderna da microbiologia 20

Micro-organismos e Microbiologia

1

Madigan_01.indd 1Madigan_01.indd 1 12.02.10 10:48:2812.02.10 10:48:28

2 Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap & David P. Clark

Bem-vindos à microbiologia – o estudo dos micro-orga-nismos. Micro-organismos são organismos unicelula-

res microscópicos e vírus, os quais são microscópicos, porém acelulares.

Do que trata a microbiologia? A microbiologia trata de células e de como elas funcionam, especialmente as bacté-rias, um grande grupo de células de enorme importância básica e prática (Figura 1.1). A microbiologia envolve a di-versidade e a evolução, sobre o modo como diferentes tipos de micro-organismos surgiram e o porquê disso. Envolve também o estudo do que os micro-organismos realizam no mundo como um todo, nos solos e nas águas, no corpo hu-mano e em animais e vegetais. De uma forma ou de outra, os micro-organismos afetam todas as demais formas de vida na Terra (Figura 1.1b); sendo assim, podemos pensar na micro-biologia como a base das ciências biológicas.

Os micro-organismos distinguem-se das células de or-ganismos macroscópicos. As células de organismos macros-cópicos, como vegetais e animais, são incapazes de viver de forma independente na natureza, existindo somente como parte de estruturas multicelulares, como sistemas orgânicos de animais ou vegetais folhosos. Por outro lado, a maioria dos micro-organismos é capaz de realizar seus processos vi-tais de crescimento, geração de energia e reprodução, inde-pendentemente de outras células.

Este capítulo inicia nossa viagem ao mundo microbiano. Aqui descobrimos o que são micro-organismos e seu impacto sobre a vida. Preparamos o palco para as considerações sobre a estrutura e evolução de micro-organismos, as quais serão desen-volvidas no próximo capítulo. Também situamos a microbiolo-gia na perspectiva histórica, como um processo de descoberta científica. A partir das contribuições marcantes dos microbio-logistas antigos, assim como dos cientistas atuais, podemos ver a microbiologia atuando na medicina, na agricultura, no meio ambiente e em outros aspectos diários de nossas vidas.

INTRODUÇÃO À MICROBIOLOGIA

Nas cinco primeiras seções deste capítulo, introduziremos o campo da microbiologia, analisaremos os micro-organismos como células, verificaremos onde e como os micro-organis-mos vivem na natureza, revisaremos a história evolutiva da vida microbiana e examinaremos o impacto que os micro-or-ganismos tiveram, e ainda têm, na vida dos seres humanos.

Microbiologia

A ciência da microbiologia abrange dois temas: (1) o enten-dimento dos processos básicos da vida, e (2) a aplicação de nosso entendimento acerca da microbiologia para benefício da humanidade.

Como uma ciência biológica básica, a microbiologia uti-liza e desenvolve ferramentas para a análise dos processos fundamentais da vida. Os cientistas foram capazes de ad-quirir um conhecimento sofisticado sobre a base química e física da vida a partir dos estudos dos micro-organismos de-vido ao fato de as células microbianas compartilharem várias características com as células de organismos multicelulares;

I

1.1

Figura 1.1 Micro-organismos. (a, b) Uma única célula microbia-na pode apresentar existência independente. São apresentadas fotomicrografias de micro-organismos fototróficos (fotossintetizan-tes), denominados (a) bactérias púrpuras e (b) cianobactérias As bactérias púrpuras encontravam-se dentre os primeiros organismos fototróficos na Terra; as cianobactérias foram os primeiros fototrófi-cos produtores de oxigênio. As cianobactérias oxigenaram a atmos-fera, abrindo o caminho para a evolução de outras formas de vida. (c, d) Na natureza ou em laboratório, as células bacterianas podem crescer, originando populações extremamente grandes. São apre-sentados (c) uma florescência de bactérias púrpuras (comparar com as Figuras 1.1a e 1.18) em um pequeno lago na Espanha, Lago Cisó, e (d) células bioluminescentes (que emitem luz) da bactéria Photo-bacterium leiognathi cultivadas em um meio de cultura laboratorial. Um mililitro de água do lago (c) ou uma colônia da placa (d) contém mais de 1 bilhão (109) de células individuais.

(b)

Thom

as D

. Bro

ckR

icar

do

Gue

rrer

o

Nor

ber

t P

fenn

ig(a)

(c)

Pau

l V. D

unla

p

(d)


Microbiologia de Brock 3

UN

IDA

DE

1

de fato, todas as células apresentam muito em comum. Além disso, as células microbianas podem crescer em meios de cultura artificiais, atingindo densidades extremamente altas (Figura 1.1d), tornando-as prontamente disponíveis ao estu-do bioquímico e genético. Essas propriedades tornam os mi-cro-organismos excelentes modelos para o entendimento dos processos celulares em organismos multicelulares, incluindo os seres humanos.

Como uma ciência biológica aplicada, a microbiologia lida com vários problemas práticos importantes da medicina, agricultura e indústria. Por exemplo, a maioria das doenças de animais e plantas é causada por micro-organismos. Os micro-organismos desempenham papéis importantes como agentes de fertilização do solo e na base da produção a par-tir de animais domésticos. Muitos processos industriais em larga escala, como a produção de antibióticos e proteínas humanas, são amplamente baseados em micro-organismos. Assim, tanto os aspectos prejudiciais como os benéficos dos micro-organismos afetam a vida diária dos seres humanos.

A importância dos micro-organismosNeste livro, veremos que os micro-organismos desempe-nham papéis centrais nas atividades humanas e em toda a vida na Terra. Embora os micro-organismos sejam as meno-res formas de vida, eles constituem, coletivamente, a maior massa de matéria viva na Terra e realizam muitos proces-sos químicos necessários a outros organismos. Na ausência de micro-organismos, outras formas de vida jamais teriam surgido e, atualmente, não poderiam ser mantidas. De fato, o oxigênio que respiramos é resultante da atividade micro-biana realizada no passado (Figura 1.1b). Além disso, vere-mos como os seres humanos, as plantas e os animais estão intimamente associados às atividades microbianas na reci-clagem de nutrientes essenciais e na degradação de matéria orgânica. Nenhuma outra forma de vida é tão importante para a sustentação e manutenção da vida na Terra quanto os micro-organismos.

Os micro-organismos já existiam na Terra há bilhões de anos antes do surgimento das plantas e animais (ver Figura 1.6), e veremos em capítulos posteriores que a diversidade da vida microbiana é significativamente maior do que aquela de plantas e animais. Essa enorme diversidade é responsável por algumas das propriedades espetaculares dos micro-orga-nismos. Por exemplo, veremos como os micro-organismos são capazes de viver em ambientes inadequados a outros organismos e como as capacidades fisiológicas diversas dos micro-organismos os posicionam como os primeiros quími-cos da Terra. Acompanharemos a história evolutiva dos mi-cro-organismos e veremos que três grandes grupos celulares podem ser diferenciados a partir de suas relações evolutivas. E, finalmente, veremos como os micro-organismos estabe-leceram importantes relações com outros organismos, algu-mas benéficas e algumas prejudiciais.

Iniciaremos nosso estudo da microbiologia consideran-do a natureza celular dos micro-organismos.

Micro-organismos como células

A célula é a unidade fundamental da vida. Uma única célula é uma entidade, separada das outras células por uma mem-brana; várias células também contêm parede celular externa à membrana. Uma célula contém variedade de compostos

químicos e estruturas subcelulares (Figura 1.2). A membrana forma um compartimento ou “recipiente” necessário à ma-nutenção das proporções corretas de constituintes internos da célula e que a protege contra forças externas. Contudo, o fato de uma célula ser um compartimento não significa que seja um compartimento selado. Ao invés disso, a membrana é semipermeável e, desse modo, a célula corresponde a uma estrutura aberta e dinâmica. As células comunicam-se e tro-cam materiais com seus ambientes, e estão constantemente sofrendo modificações. Estudaremos a estrutura e função ce-lular em detalhes nos Capítulos 2, 4 e 18.

Química celular e estruturas essenciaisAs células são estruturas altamente organizadas que con-sistem em um conjunto de quatro componentes químicos: proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos e polissacarídeos. Essas grandes moléculas são denominadas macromoléculas e, co-letivamente, correspondem a mais de 95% do peso seco de uma célula (o restante é uma mistura de precursores de ma-cromoléculas e íons inorgânicos). A química e o arranjo pre-cisos das macromoléculas nos diferentes tipos de células as tornam diferentes umas das outras. Assim, podemos afirmar que as células apresentam muito em comum, mas cada tipo diferente de célula é quimicamente único.

Há várias estruturas essenciais em uma célula. A mem-brana citoplasmática (também denominada membrana ce-lular) é a barreira que separa o interior da célula do ambiente externo. Internamente à membrana celular, existem várias estruturas e compostos químicos em suspensão ou dissolvi-dos em um fluido denominado citoplasma. A “maquinaria” citoplasmática responsável pelo crescimento e pela função celular inclui o núcleo ou nucleoide, onde o DNA celular (o genoma) é armazenado, e ribossomos, estruturas compos-tas de proteína e RNA, a partir das quais novas proteínas são sintetizadas na célula. A maioria das células microbia-nas também têm parede celular. A parede celular, em vez da membrana celular, confere rigidez estrutural à célula e impe-de seu rompimento osmótico.

1.2

L.K

. Kim

ble

e M

.T. M

adig

an

(a)

Her

ber

t V

oelz

(b)

Figura 1.2 (a) Células bacterianas em forma de bacilo observa-das ao microscópio óptico; uma única célula apresenta cerca de 1 �m de diâmetro. (b) Seção longitudinal de uma célula bacteriana em divisão, observada ao microscópio eletrônico. As duas áreas mais claras correspondem aos nucleoides, regiões no interior da célula contendo DNA condensado.



Características dos sistemas vivosQuais são as características essenciais da vida? O que dife-rencia células dos objetos inanimados? Nosso conceito de ser vivo restringe-se ao que podemos observar na Terra atual-mente e, ao que podemos deduzir, a partir dos registros fós-seis. Entretanto, a partir de nosso conhecimento de biologia acumulado até o momento, podemos identificar várias ca-racterísticas compartilhadas pela maioria dos sistemas vivos. Essas características dos organismos celulares estão resumi-das na Figura 1.3.

Todos os organismos celulares exibem alguma forma de metabolismo. Isto é, no interior da estrutura do recipiente físico que define uma célula, os nutrientes são captados do meio ambiente e transformados quimicamente. Durante esse processo, a energia é conservada e os produtos de excreção eliminados. Todas as células mostram processos de regene-ração e reprodução. Isto é, uma célula é capaz de reparar e substituir seus componentes conforme a necessidade e en-tão acumular múltiplas cópias de cada componente antes de separá-los, a fim de dividir-se e formar duas células. Algu-mas células sofrem diferenciação, processo pelo qual novas substâncias ou estruturas que modificam a célula são sinte-tizadas. Por exemplo, a diferenciação celular corresponde frequentemente a uma etapa do ciclo de vida celular, na qual as células formam estruturas especiais, como esporos, envol-vidas na reprodução, dispersão ou sobrevivência.

As células respondem a sinais químicos em seu ambien-te, incluindo aqueles produzidos por outras células. As células “processam” esses sinais de várias formas, frequentemente re-sultando em novas atividades. Assim, as células são capazes de comunicarem-se. Várias células são capazes de movimen-tarem-se por autopropulsão; no mundo microbiano, veremos diferentes mecanismos de motilidade. Ainda, contrariamente às estruturas não vivas, as células sofrem evolução; ao longo do tempo, as características das células modificam-se e essas modificações são transmitidas a seus descendentes.

Células como usinas e dispositivos codificadoresAs atividades celulares podem ser analisadas de duas manei-ras. Por um lado, as células podem ser consideradas usinas vivas que realizam transformações químicas. Os catalisadores dessas usinas químicas são as enzimas, proteínas que acele-ram a velocidade de reações químicas no interior da célula (Figura 1.4). Por outro lado, as células podem ser considera-das dispositivos codificadores, semelhantes a computadores. Assim como os computadores armazenam e processam infor-mação digital, as células armazenam e processam a informa-ção genética (DNA), a qual é finalmente transmitida aos des-cendentes durante a reprodução (Figura 1.4). A replicação e o processamento (transcrição e tradução) da informação genéti-ca armazenada serão abordados em detalhes no Capítulo 7.

Na realidade, as células correspondem tanto a usinas químicas como a dispositivos codificadores, sendo o cres-cimento celular a conexão entre esses dois atributos celu-lares. Em condições apropriadas, uma célula irá crescer e finalmente dividir-se, originando duas células (Figura 1.4). Durante os eventos que conduzem à divisão celular, todos os constituintes celulares são duplicados. Isso requer que a ma-quinaria química da célula forneça a energia e os precursores para a biossíntese das macromoléculas. Além disso, quando uma célula se divide, cada uma das duas células resultantes deve conter uma cópia da informação genética. Assim, o DNA deve ser replicado durante o processo de crescimento (Figura

6. EvoluçãoAs células contêm genes e evoluem de forma a apresentar novas propriedades biológicas. As árvores filogenéticas revelam as relações evolutivas entre as células.

5. MovimentaçãoAlgumas células são capazes de realizar a autopropulsão.

3. DiferenciaçãoAlgumas células podem formar novas estruturas celulares, como um esporo, normalmente como parte de um ciclo de vida celular.

4. ComunicaçãoAs células comunicam-se ou interagem por meio de compostos químicos que são liberados ou captados.

Novasespécies

Novasespécies

Célula

Meio ambiente

Esporo

Célulaancestral

1. Compartimentalização e metabolismoAs células captam os nutrientes a partir do meio ambiente, realizam sua transformação e eliminam os produtos de excreção no meio. Portanto, a célula é um sistema aberto.

2. Reprodução (crescimento)Os compostos químicos captados do meio ambiente são transformados em novas células sob o controle genético das células preexistentes.

Figura 1.3 Características da vida celular. Somente determina-das células sofrem diferenciação ou são capazes de moverem-se.



UN

IDA

DE

1

1.4). Dessa forma, as funções de usina e de codificadora da célula devem ser altamente coordenadas. Conforme veremos posteriormente, as funções de usina e de codificadora estão sujeitas à regulação, garantindo a síntese de substâncias na ordem e nas concentrações apropriadas, a fim de manter a célula otimamente ajustada a seu meio ambiente.

Minirrevisão de 1.1 e 1.2

Os micro-organismos englobam todos os organismos mi-croscópicos, incluindo os vírus. A membrana citoplasmática é uma barreira que separa o citoplasma do meio ambiente. Outras importantes estruturas celulares incluem o núcleo ou nucleoide (genoma), o citoplasma, os ribossomos e a parede celular. O metabolismo e a reprodução são características essenciais associadas ao estado vivo, e as células podem ser consideradas usinas químicas e dispositivos codificadores.

Cite as quatros classes de macromoléculas celulares. ❚

Cite seis características dos seres vivos. Por que cada uma ❚

dessas características é importante à sobrevivência de uma célula?Compare as funções de usina e de codificadora de uma ❚

célula microbiana. Por que nenhuma dessas funções apre-senta valor para a célula isoladamente?

Micro-organismos e seus ambientes naturais

Na natureza, as células microbianas vivem associadas a outras células, formando populações. As populações microbianas são grupos de células derivadas de uma única célula parental por sucessivas divisões celulares. O ambiente onde uma população microbiana vive é denominado seu hábitat. Em hábitats mi-crobianos, uma população de células raramente vive de forma isolada. Ao contrário, as populações celulares vivem e intera-gem com outras populações, em organizações denominadas comunidades microbianas (Figura 1.5). A diversidade e abun-dância de micro-organismos em uma comunidade microbia-na é controlada pelos recursos (nutrientes) e pelas condições (temperatura, pH, teor de oxigênio e assim por diante) exis-tentes no ambiente. O estudo dos micro-organismos em seus ambientes naturais é denominado ecologia microbiana, um importante tema deste livro.

Interações microbianasAs populações microbianas interagem e cooperam de várias maneiras, algumas benéficas e algumas prejudiciais. Por exemplo, os produtos de excreção das atividades metabólicas de alguns organismos podem ser nutrientes para outros. Os micro-organismos também interagem com seu ambiente físi-co e químico. Os hábitats diferem acentuadamente em suas características, e um hábitat favorável ao crescimento de um organismo pode, na realidade, ser nocivo a outro. Coletiva-mente, denominamos todos os seres vivos, juntamente com os constituintes físicos e químicos de seu meio ambiente, um ecossistema. Os principais ecossistemas microbianos são encontrados em ambientes aquáticos (oceanos, lagoas, lagos, riachos, gelo, fontes termais) e ambientes terrestres (solo, ambientes da subsuperfície profunda), e em outros organis-mos, como plantas e animais.

1.3

Metabolismo: geração de precursores de macromoléculas (açúcares, aminoácidos, ácidos

graxos etc.)

Reprodução (crescimento)

Funçõesde usina

Funçõescodificadoras

Replicação Expressão gênica

Transcrição

Tradução

RNA

Proteínas

DNA Conservação de energia: ADP + Pi ATP

Enzimas: catalisadores metabólicos

Figura 1.4 As funções de usina e de codificadora da célula. Para que uma célula se reproduza, deve haver energia e precurso-res para a síntese de novas macromoléculas; as instruções genéticas devem ser replicadas de tal forma que, durante a divisão, cada cé-lula receba uma cópia, e os genes devem ser expressos de forma a gerar proteínas e outras macromoléculas.

(a) (b)

D. E

. Cal

dw

ell

Jiri

Sna

idr

Figura 1.5 Comunidades Microbianas. (a) Uma unidade bac-teriana que se desenvolveu no fundo de um pequeno lago (Lago Wintergreen, Michigan), revelando células de várias bactérias. (b) Uma comunidade bacteriana em uma amostra de lodo de esgoto. A amostra foi corada com uma série de corantes, cada um corando um grupo bacteriano específico. De R. Amann, J. Snaidr, M. Wagner, W. Ludwig, e K. H. Schleifer, 1996. Journal of Bacteriology 178: 3496-3500, Fig. 2b. © 1996 American Society for Microbiology.



Um ecossistema é fortemente influenciado – e até mesmo controlado – pelas atividades microbianas. Os micro-organis-mos que realizam processos metabólicos removem nutrientes do ecossistema, utilizando-os para construir novas células. Si-multaneamente, eles devolvem os produtos de excreção ao am-biente. Assim, ao longo do tempo, os ecossistemas microbianos expandem-se e contraem-se, dependendo dos recursos e das condições disponíveis; as atividades metabólicas dos micro-or-ganismos alteram de forma gradativa esses ecossistemas, tanto química como fisicamente. Portanto, o hábitat pode ser altera-do de forma significativa. Por exemplo, o oxigênio molecular (O2) é um nutriente vital para alguns micro-organismos, porém tóxico para outros. Quando micro-organismos consumidores de oxigênio (aeróbios) removem o oxigênio de um hábitat, tor-nando-o anóxico (desprovido de O2), as condições podem então favorecer o crescimento de micro-organismos anaeróbios que se encontravam presentes no hábitat, mas que estavam ante-riormente impossibilitados de se desenvolver. Assim, à medida que os recursos e as condições dos hábitats microbianos se mo-dificam, as populações celulares surgem e decaem, alterando novamente o hábitat.

Em capítulos posteriores, após estudarmos a estrutura e função, genética, evolução e diversidade microbianas, retorna-remos à discussão sobre as formas nas quais os micro-organis-mos afetam animais, plantas e todo o ecossistema global.

Minirrevisão de 1.3

Os micro-organismos estão presentes na natureza em popu-lações que interagem com outras populações, formando co-munidades microbianas. As atividades dos micro-organismos nas comunidades microbianas podem afetar de modo signi-ficativo, e modificar rapidamente, as características químicas e físicas de seus hábitats.

O que é um hábitat microbiano? Como uma comunidade ❚

microbiana difere de uma população microbiana?Como os micro-organismos podem alterar as característi- ❚

cas de seus hábitats?

A antiguidade e a extensão da vida microbiana

Os micro-organismos foram as primeiras formas de vida na Terra a exibir características básicas de sistemas vivos (Figu-ra 1.3). Vimos anteriormente que as cianobactérias abriram o caminho para a evolução de outras formas de vida, a par-tir da produção de oxigênio na atmosfera terrestre (Figura 1.1b). No entanto, muito antes das cianobactérias surgirem na Terra, o planeta já encontrava-se pulsando com vida, e diversas comunidades de micro-organismos encontravam-se amplamente disseminadas.

As primeiras célulasDe onde surgiram as primeiras células? As células, como as conhecemos atualmente, foram as primeiras estruturas au-torreplicantes na Terra? Uma vez que todas as células são construídas de forma similar, é provável que todas as células tenham descendido de uma célula ancestral comum, o ances-tral universal de toda a vida. Contudo, conforme discutiremos posteriormente neste livro, as primeiras entidades autorre-plicantes podem não ter sido as células, mas, em vez disso,

pequenas moléculas de RNA. Ao final, no entanto, a evolução selecionou a célula como a melhor solução estrutural para sustentar as características fundamentais da vida. Uma vez que as primeiras células se originaram a partir de matérias inanimadas, um processo que ocorreu ao longo de centenas de milhões de anos, seu crescimento e sua divisão subsequen-tes formaram populações de células, e estas começaram a interagir na forma de comunidades microbianas. A evolução pode, então, selecionar os aperfeiçoamentos e a diversificação dessas células iniciais, originando, assim, as células altamente complexas e diversas que observamos atualmente. Abordare-mos essa complexidade e diversidade no Capítulo 2 e, em se-guida, discutiremos o tópico em detalhes nos Capítulos 4 e 15-18. Abordaremos o tópico da origem da vida no Capítulo 14.

A vida na terra ao longo das erasA idade da Terra é de 4,6 bilhões de anos. Os cientistas dis-põem de evidências de que as células surgiram inicialmente na Terra entre 3,8 e 3,9 bilhões de anos atrás; esses organis-mos eram exclusivamente microbianos. De fato, os micro-or-ganismos foram a única vida na Terra durante a maior parte de sua história (Figura 1.6). Gradativamente, e ao longo de enormes períodos de tempo, os organismos superiores sur-giram (por conveniência, ao longo do livro, nos referiremos às formas de vida que evoluíram após os micro-organismos como organismos “superiores”). Quais foram alguns dos des-taques ao longo dessa trajetória?

Durante aproximadamente os primeiros dois bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera apresentava-se anóxica; o oxigênio encontrava-se ausente, estando presen-tes nitrogênio (N2), dióxido de carbono (CO2) e alguns outros poucos gases. Somente os micro-organismos capazes de rea-lizar um metabolismo anaeróbio poderiam sobreviver nessas

1.4

Humanos

Invertebradoscom concha

Plantasvasculares

Mamíferos

Origem da Terra(4,6 bia)

Bactérias

Bactériasfototróficasanoxigênicas

Origem dascianobactérias

A Terra anóxica(atmosfera deN2, CO2, CH4)

O2O2

20% de O2

A Terraé lentamenteoxigenada

Origem doseucariotos

Diversidadede algas

4bia

bia2 bia

1bia

3S

omente formas de vida microbi

anas

Presente

Figura 1.6 Resumo da vida na Terra através do tempo. A vida celular encontrava-se presente na Terra há cerca de 3,8 bilhões de anos (bia). As cianobactérias iniciaram a lenta oxigenação da Terra há cerca de 3 bia, porém os atuais níveis de oxigênio na atmosfera não foram alcançados antes dos últimos 500-800 milhões de anos. Os eucariotos são células nucleadas e incluem organismos micro-bianos e multicelulares.



UN

IDA

DE

1

condições, porém estes correspondiam a vários tipos diferen-tes de células, incluindo aquelas produtoras de metano, de-nominadas metanogênicas. A evolução de micro-organismos fototróficos – organismos que armazenam energia a partir da luz solar – ocorreu durante um período de um bilhão de anos desde a formação da Terra. Os primeiros fototróficos eram relativamente simples, como as bactérias púrpuras e suas re-lacionadas, atualmente ainda amplamente disseminadas em hábitats anóxicos (Figura 1.1a, c). As cianobactérias evoluí-ram a partir desses primeiros fototróficos após cerca de um bilhão de anos e iniciaram o processo longo e lento de oxige-nação da atmosfera (Figura 1.6). Em decorrência do aumento da concentração de oxigênio na atmosfera, as formas de vida multicelulares evoluíram, culminando nas plantas e nos ani-mais que conhecemos atualmente (Figura 1.6).

Como podemos saber que os eventos da evolução da vida ocorreram conforme ilustrado na Figura 1.6? Provavelmente jamais saberemos ao certo. Todavia, os microbiologistas iden-tificaram componentes químicos essenciais em organismos atuais que correspondem a biomarcadores exclusivos de gru-pos particulares. Evidências de muitos desses biomarcadores podem ainda ser encontradas em rochas antigas. A cronologia apresentada na Figura 1.6 reúne o que conhecemos a partir de fósseis moleculares oriundos de rochas com idades específicas. Ao longo do tempo, os micro-organismos sofreram diversifica-ção e colonizaram cada hábitat da Terra capaz de sustentar a vida, incluindo vários hábitats impróprios a outras formas de vida. Isso nos conduz à atual distribuição da vida microbiana na Terra. Como é esse retrato?

A extensão da vida microbianaA vida microbiana encontra-se ao nosso redor. A análise de materiais naturais, como solo ou água, invariavelmente re-vela células microbianas. Contudo, hábitats incomuns, como fontes termais ferventes e gelo glacial, também encontram-se repletos de micro-organismos. Embora amplamente distri-buídas na Terra, estas células diminutas podem parecer ir-relevantes. Porém, se fôssemos capazes de contar todas, que número alcançaríamos?

Estimativas do número total de células microbianas na Terra são da ordem de 5 � 1030 células. A quantidade total de carbono presente nesse grande número de células diminu-tas equivale àquela presente em todas as plantas da Terra (e o carbono das plantas excede significativamente o carbono dos animais). Porém, somado a isso, o conteúdo coletivo de nitrogênio e fósforo presente em células microbianas supera em mais de 10 vezes aquele de toda a biomassa vegetal.

Assim, as células microbianas, pequenas como são, cons-tituem a maior porção da biomassa na Terra e correspondem a reservatórios chave dos nutrientes essenciais à vida. Uma revelação igualmente surpreendente é o fato de a maioria das células microbianas não residir na superfície da Terra, encontrando-se, em vez disso, no subsolo, nas subsuperfí-cies oceânicas e terrestres. Profundidades de até aproxima-damente 10 km abaixo da superfície da Terra parecem ser adequadas à vida microbiana. Veremos posteriormente que esses hábitats microbianos soterrados sustentam diversas populações de células microbianas que desenvolvem suas vi-das de maneiras incomuns e crescem de forma extremamen-te lenta. No entanto, em virtude da subsuperfície da Terra ser uma fronteira relativamente inexplorada, resta muito para os microbiologistas descobrirem e compreenderem acerca das formas de vida que dominam a biologia da Terra.


Populações microbianas diversas encontravam-se ampla-mente distribuídas na Terra por bilhões de anos antes do surgimento dos organismos superiores, e, atualmente, a biomassa microbiana cumulativa na Terra excede àquela dos organismos superiores. As cianobactérias, em particular, fo-ram importantes pois oxigenaram a atmosfera.

As primeiras formas de vida foram celulares? Por que a ❚

vida celular é a única forma de vida que podemos obser-var na Terra atualmente?Qual a idade da Terra e quando surgiram as primeiras ❚

formas de vida celular? Como podemos utilizar a ciência para reconstruir a sequência de organismos que surgiram na Terra?Onde está localizada a maioria das células microbianas na ❚

Terra?

O impacto dos micro-organismos nos seres humanos

Os microbiologistas tiveram grande sucesso na descoberta de como os micro-organismos atuam, aumentando seus efei-tos benéficos e minimizando seus efeitos prejudiciais. Desse modo, a microbiologia trouxe grandes avanços à saúde e ao bem-estar dos seres humanos. Uma visão geral do impacto dos micro-organismos sobre as questões humanas é ilustrada na Figura 1.7.

Micro-organismos como agentes de doençasAs estatísticas resumidas na Figura 1.8 revelam o sucesso dos microbiologistas no controle dos micro-organismos. Esses dados comparam as causas atuais de óbito nos Estados Uni-dos com aquelas ocorridas há 100 anos. No início do século XX, as principais causas de morte correspondiam às doenças infecciosas, provocadas por micro-organismos denominados patógenos. Particularmente, grande número de crianças e idosos sucumbiram devido às doenças microbianas. Atual-mente, no entanto, as doenças infecciosas são muito menos letais, pelo menos nos países desenvolvidos. O controle das doenças infecciosas resultou do maior entendimento a res-peito dos processos das doenças, da melhoria das práticas sanitárias e de saúde pública e do uso de agentes antimicro-bianos. Como veremos posteriormente neste capítulo, a ciên-cia da microbiologia teve suas raízes no estudo das doenças infecciosas.

Embora várias doenças infecciosas possam ser con-troladas atualmente, os micro-organismos ainda podem ser uma grande ameaça à vida, mesmo em países desen-volvidos. Considere, por exemplo, um indivíduo morren-do lentamente devido a uma infecção microbiana como consequência da síndrome da imunodeficiência adquirida (AIDS), ou um indivíduo infectado por um patógeno re-sistente a múltiplos fármacos. Em diversos países em de-senvolvimento, as doenças microbianas ainda são as prin-cipais causas de morte. Embora a erradicação da varíola em nível mundial tenha sido uma vitória surpreendente da ciência médica, ainda ocorrem anualmente milhões de mortes decorrentes de outras doenças microbianas, como malária, tuberculose, cólera, doença africana do sono, sa-rampo, pneumonia e outras doenças respiratórias e síndro-

1.5



mes diarreicas. Além dessas, os seres humanos ao redor do mundo são ameaçados por doenças que poderiam emer-gir subitamente, como a gripe aviária, uma doença viral de aves com o potencial de infectar hospedeiros alternados e disseminar-se rapidamente em uma população. Doenças exóticas e raras, como a febre hemorrágica por ebola, tam-bém poderiam disseminar-se facilmente em países desen-volvidos, uma vez que as viagens intercontinentais são tão comuns atualmente. Como se isso não bastasse, considere a ameaça para os humanos representada por aqueles que disseminam agentes microbianos de bioterrorismo. Indu-bitavelmente, os micro-organismos ainda constituem gra-ves ameaças à saúde humana.

Embora devamos considerar a poderosa ameaça repre-sentada pelos micro-organismos, na realidade, a maioria de-les não é prejudicial aos seres humanos. De fato, a grande maioria dos micro-organismos não acarreta danos aos orga-nismos superiores, sendo, ao invés disso, benéficos – e, em muitos casos, até mesmo essenciais – ao bem-estar humano e ao funcionamento do planeta. Agora consideraremos esses aspectos dos micro-organismos.

Micro-organismos e agriculturaNosso sistema global de agricultura intensiva depende, em muitos aspectos importantes, das atividades microbianas (Fi-gura 1.7). Por exemplo, algumas das principais culturas envol-vem plantas denominadas leguminosas. As leguminosas vivem em estreita associação com bactérias que formam estruturas denominadas nódulos em suas raízes. Nos nódulos radicula-res, essas bactérias convertem o nitrogênio atmosférico (N2) em nitrogênio fixado (NH3), que as plantas utilizam para seu crescimento. Graças às atividades dessas bactérias fixadoras de nitrogênio, as leguminosas não requerem o uso de fertili-zantes nitrogenados dispendiosos e poluentes.

Também de grande importância agrícola são os micror-ganismos essenciais ao processo digestivo de animais ru-minantes, como o gado bovino e ovino. Esses importantes animais possuem um compartimento digestivo especial de-nominado rúmen, no qual densas populações de micro-or-ganismos realizam a digestão da celulose, o principal com-ponente das paredes celulares vegetais. Na ausência desses micro-organismos, o gado bovino e os ovinos não poderiam desenvolver-se a partir de substâncias ricas em celulose, mas pobres em nutrientes, como capim e feno.

Os micro-organismos também desempenham papéis essenciais nos ciclos de importantes nutrientes das plantas, particularmente aqueles do carbono, nitrogênio e enxofre. As atividades microbianas que ocorrem no solo e na água conver-tem esses elementos em formas prontamente assimiladas pe-las plantas. No entanto, além dos benefícios à agricultura, os micro-organismos também podem exibir efeitos negativos; as doenças microbianas de plantas e animais provocam impor-tantes perdas econômicas na indústria agrícola. Por exemplo, doenças como o mal da vaca louca podem ter efeitos dramáti-cos na comercialização da carne bovina, e doenças microbia-nas de culturas vegetais podem reduzir significativamente a produção de grãos ou de outros produtos vegetais valiosos.

Micro-organismos e alimentosUma vez que vegetais e animais destinados ao consumo são produzidos, eles devem ser disponibilizados aos consumidores em uma forma saudável. Os micro-organismos desempenham papéis importantes na indústria alimentícia (Figura 1.7). A de-composição de alimentos por si só resulta em enormes perdas econômicas a cada ano. De fato, as indústrias de enlatados, alimentos congelados e alimentos desidratados surgiram para preservar os alimentos que, de outra forma, sofreriam a de-terioração microbiana. Doenças transmitidas por alimentos também devem ser consideradas. Uma vez que um alimento destinado ao consumo humano pode permitir o crescimento de micro-organismos, inclusive patógenos, os alimentos de-vem ser preparados e monitorados adequadamente para evitar a transmissão de micro-organismos causadores de doenças.

No entanto, nem todos os micro-organismos encontra-dos em alimentos provocam efeitos danosos em produtos alimentícios, ou naqueles que os ingerem. Por exemplo, vá-rios laticínios dependem de transformações microbianas, incluindo as fermentações que produzem queijos, iogurte e manteiga. Chucrute, picles e algumas salsichas também de-vem sua existência às fermentações microbianas. Além disso, produtos de panificação e bebidas alcoólicas dependem das atividades fermentativas de leveduras, originando dióxido de carbono (CO2) para produzir a massa do pão e o álcool como um ingrediente essencial, respectivamente. Muitas dessas fermentações serão discutidas nos Capítulos 21, 25, e 37.

V Biotecnologia

( (

( (

Fixação de N2 (N2 2NH3)

Criação de animais

Preservação de alimentos (calor, frio,radiação, compostos químicos)

Alimentosfermentados

Aditivos alimentícios (glutamatomonossódico, ácido cítrico, leveduras)

Organismos geneticamentemodificados

Síntese de produtos farmacêuticos(insulina e outras proteínas humanas)

Terapia gênica paradeterminadas doenças

indivíduodoente

correção da lesãogenética

Biocombustíveis (CH4 )

(Milho Etanol)

Biorremediação(óleo derramado

poluentesorgânicos

Fermentação

Mineração microbiana(CuS Cu2+ Cu0)

Identificação denova doença

Tratamento,cura e prevenção

Rúmen

Celulose

CO2+

CH4+

Proteína animal

O2

N2

NH3NO3

–H2S

S0SO4

2–

Ciclo dos nutrientes

CO2

CO2)

I Doença III Alimentos

II Agricultura

IV Energia/Meio Ambiente

Figura 1.7 Impacto dos micro-organismos sobre os seres huma-nos. Embora muitas pessoas pensem nos micro-organismos no contex-to das doenças infecciosas, poucos micro-organismos são efetivamen-te causadores de doenças. No entanto, os micro-organismos afetam vários outros aspectos de nossas vidas, conforme ilustrado aqui.



UN

IDA

DE

1

Micro-organismos, energia e meio ambienteOs micro-organismos desempenham papéis importantes na produção de energia (Figura 1.7). O gás natural (metano) é um produto da atividade microbiana, proveniente das atividades metabólicas de micro-organismos metanogênicos. Os micro--organismos fototróficos podem absorver a energia lumino-sa, produzindo biomassa, a energia armazenada nos organis-mos vivos. A biomassa microbiana e os materiais descartados, como o lixo doméstico, excedentes da produção de grãos e produtos de excreção animal, podem ser convertidos em bio-combustíveis, como metanol e etanol, por meio das atividades dos micro-organismos. O etanol produzido pela fermentação microbiana da glicose a partir da cana-de-açúcar ou do ami-do de milho é um importante combustível em alguns países, como o Brasil, e está se tornando um componente mais im-portante dos combustíveis nos Estados Unidos.

Os micro-organismos podem também ser utilizados na degradação de poluentes gerados pelas atividades humanas, processo denominado biorremediação microbiana (Figura 1.7). Os micro-organismos podem ser utilizados para consu-mir óleo derramado, solventes, pesticidas e outros poluentes tóxicos ao ambiente. Com o tempo, caso a entrada de poluen-tes cesse, as áreas poluídas podem ser limpas sem a interven-ção humana, por meio das atividades de micro-organismos naturalmente encontrados. A biorremediação simplesmente acelera o processo natural de limpeza por meio da introdu-ção de micro-organismos consumidores de poluentes, ou de nutrientes específicos que auxiliam os micro-organismos a degradarem os poluentes. Dentre a grande diversidade de micro-organismos presentes na Terra, existem vastos recur-sos genéticos. Atualmente, os pesquisadores estão estudando esses genes a fim de desenvolver novas soluções para proble-mas de poluição ainda mais desafiadores.

Micro-organismos e seus recursos genéticosAlém da limpeza do meio ambiente, as riquezas genéticas do mundo microbiano podem ser utilizadas na geração de produtos de valor comercial. Os micro-organismos foram

utilizados por centenas de anos na fabricação de produtos da fermentação do leite, bebidas alcoólicas e similares. Mais re-centemente, os micro-organismos vêm sendo cultivados em escalas extremamente altas para a produção de antibióticos, enzimas específicas e vários compostos químicos. Porém, atualmente, vivemos no mundo da “biotecnologia”. A bio-tecnologia emprega micro-organismos geneticamente modi-ficados para sintetizar produtos de elevado valor comercial (Capítulo 26). A biotecnologia utiliza as ferramentas da enge-nharia genética – a manipulação artificial de genes e produ-tos gênicos (Figura 1.7). Os genes provenientes de qualquer fonte podem ser manipulados e modificados utilizando-se micro-organismos e suas enzimas como ferramentas molecu-lares. Por exemplo, a insulina humana, um hormônio encon-trado em quantidades anormalmente baixas em indivíduos com diabete, é atualmente produzida por bactérias modifica-das por engenharia genética, nas quais foram inseridos genes da insulina humana. Empregando a genômica, o sequen-ciamento e a análise dos genomas dos organismos (Capítulo 13), é possível pesquisar o genoma de qualquer organismo na busca de genes codificadores de proteínas de interesse co-mercial. Atualmente, constitui-se em uma operação rotineira a clonagem de um gene de interesse em um hospedeiro ade-quado, sintetizando-se a proteína codificada por ele em uma escala que atende a demanda comercial.

A microbiologia como uma carreiraA área da microbiologia é repleta de oportunidades para aqueles que buscam carreiras realizadoras e gratificantes na ciência. Por exemplo, os microbiologistas encontram-se na li-nha de frente da medicina clínica, visando o desenvolvimento e a popularização de métodos para diagnóstico e tratamen-to de doenças infecciosas. A pesquisa e o desenvolvimento em empresas farmacêuticas, químicas e bioquímicas e de biotecnologia, frequentemente correspondem à base dessas realizações, sendo impulsionadas pelas atividades cientí-ficas dos microbiologistas. Além disso, os microbiologistas desempenham papéis essenciais nas indústrias de alimentos

Óbitos por 100.000 indivíduosÓbitos por 100.000 indivíduos

Gripe e pneumonia

Tuberculose

Acidente vascular cerebral

Doença renal

Acidentes

Câncer

Doenças da infância Cirrose hepática

Doença cardíaca

CâncerAcidente vascular

cerebral

Doença pulmonar

AcidentesGripe e

pneumoniaDiabetes

AIDS

Suicídio

Homicídio

Doença cardíaca

Gastrenterite

Difteria

100 200200 00 100

280

205

1900 2008

Figura 1.8 Taxas de mortalidade para as principais causas de morte nos Estados Unidos em 1900 e 2008. Em 1900, as doenças infecciosas eram as principais causas de morte, enquanto, atualmente, elas são de menor importância. As doenças microbianas são apre-sentadas em vermelho, as causas não microbianas, em verde. Dados obtidos do Centro Nacional de Estatísticas de Saúde dos Estados Unidos.



e bebidas, na saúde pública, em laboratórios de pesquisa go-vernamentais e universitários, em pesquisas ambientais e no ensino e treinamento em ciências biológicas. Dessa forma, além de dominar os princípios da talvez mais excitante den-tre as ciências biológicas, os alunos de microbiologia atual-mente dispõem de múltiplas opções para voltarem seu amor à biologia para uma carreira desafiadora e recompensadora.

Neste ponto de nosso capítulo introdutório, a influência dos micro-organismos na sociedade humana deve estar cla-ra. De fato, temos muitas razões para conhecermos os micro--organismos, suas atividades e seu potencial de beneficiar ou prejudicar os seres humanos. Como citou o eminente cientis-ta francês Louis Pasteur, um dos fundadores da microbiolo-gia moderna: “O papel dos infinitamente pequenos na natu-reza é infinitamente grande”. Prosseguiremos nossa jornada no mundo microbiano realizando uma visão geral histórica das contribuições de Pasteur e de alguns outros à ciência da microbiologia como a conhecemos atualmente.


Os micro-organismos podem ser tanto benéficos como prejudiciais aos seres humanos. Embora tenhamos a tendên-cia de enfatizar os micro-organismos nocivos (agentes de doenças infecciosas) há, na natureza, mais micro-organismos benéficos do que prejudiciais.

De que maneira os micro-organismos são importantes na ❚

indústria alimentícia e na agricultura?Cite dois combustíveis que são produzidos por micro- ❚

-organismos.O que se entende por biotecnologia e como ela pode ❚

melhorar as condições de vida dos seres humanos?

OS CAMINHOS DOS DESCOBRIMENTOS DA MICROBIOLOGIA

Assim como qualquer outra ciência, a microbiologia deve muito a seu passado. Embora possua raízes muito antigas, a ciência da microbiologia, na realidade, não apresentou um grande desenvolvimento até o século XIX. A partir de então, a área cresceu de forma explosiva, expandindo-se para mui-tos campos novos, porém relacionados. Agora, passaremos a trilhar esses caminhos dos descobrimentos.

As raízes históricas da microbiologia: Hooke, Van Leeuwenhoek e Cohn

Embora a existência de criaturas pequenas, invisíveis a olho nu, tenha sido especulada há muitos anos, sua descoberta está associada à invenção do microscópio. Robert Hooke (1635-1703), um matemático e historiador natural inglês, também foi um excelente microscopista. Em seu famoso livro, Micro-graphia (1665), o primeiro livro dedicado às observações mi-croscópicas, Hooke ilustrou, dentre vários outros temas, as estruturas de frutificação de bolores (Figura 1.9). Essa foi a primeira descrição conhecida de micro-organismos. A primei-ra pessoa a visualizar bactérias foi o comerciante e construtor

II

1.6(b)

(a)

Figura 1.9 Robert Hooke e um microscópio antigo. (a) Ilustra-ção do microscópio utilizado por Robert Hooke em 1664. As lentes objetivas eram adaptadas na extremidade de um fole ajustável (G), com a iluminação focalizada no espécime, a partir de uma única len-te (1). (b) Um desenho de Robert Hooke. Este desenho, publicado em Micrographia, em 1655, corresponde à primeira descrição de um micro-organismo. O organismo é um bolor azulado crescendo em uma superfície de couro. As estruturas arredondadas (esporân-gios) contêm os esporos do bolor.



UN

IDA

DE

1

holandês amador de microscópios Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723). Em 1684, van Leeuwenhoek, que conhecia o tra-balho de Hooke, utilizou microscópios extremamente simples, de sua própria construção (Figura 1.10), para examinar o con-teúdo microbiano de uma variedade de substâncias naturais.

Os microscópios de Leeuwenhoek eram rudimentares, quando comparados aos padrões atuais, mas, pela manipu-lação e focalização precisas, ele foi capaz de visualizar bacté-rias, micro-organismos consideravelmente menores que bo-lores. Ele descobriu as bactérias em 1676, enquanto estudava infusões aquosas de pimenta. Ele relatou suas observações em uma série de cartas enviadas à prestigiosa Royal Society of London (Sociedade Real de Londres), que as publicou em 1684, em uma versão em inglês. Desenhos de alguns “peque-nos animálculos”, como van Leeuwenhoek os referia, estão ilustrados na Figura 1.10b.

Com o passar dos anos, as observações de van Leeuwe-nhoek foram confirmadas por outros, mas o progresso no entendimento sobre a natureza e importância desses orga-nismos minúsculos manteve-se lento por cerca dos 150 anos seguintes. Somente no século XIX, os microscópios aper-feiçoados tornaram-se amplamente disponíveis e, nesse pe-ríodo, a extensão e a natureza das formas de vida microbia-nas tornaram-se mais evidentes.

Durante a segunda metade do século XIX, importantes avanços foram realizados na nova ciência da microbiologia, principalmente devido à atenção dada a duas importantes questões que surgiram na biologia e medicina naquela épo-ca: (1) o questionamento a respeito da geração espontânea e (2) da natureza das doenças infecciosas. Respostas a es-sas questões emergiram a partir do trabalho de dois gigantes no novo campo da microbiologia: o químico francês Louis Pasteur e o médico alemão Robert Koch. Porém, antes de explorarmos seus trabalhos, consideraremos resumidamente o trabalho revolucionário de um botânico alemão, Ferdinand Cohn, contemporâneo de Pasteur e Koch e fundador da área atualmente denominada bacteriologia.

Ferdinand Cohn e a ciência da bacteriologiaFerdinand Cohn (1828-1898) nasceu em Breslau (atualmente pertencente à Polônia). Ele especializou-se em botânica e tornou-se um excelente microscopista. Seus interesses na mi-croscopia o conduziram naturalmente ao estudo de plantas unicelulares – as algas – e, posteriormente, às bactérias fotos-sintetizantes. Cohn acreditava que todas as bactérias, mesmo aquelas desprovidas de pigmentos fotossintetizantes, eram membros do reino vegetal, e seus estudos de microscopia gradualmente afastaram-se das plantas e algas, dirigindo-se às bactérias, incluindo a grande bactéria sulfurosa Beggiatoa (Figura 1.11).

Cohn estava particularmente interessado na resistência térmica apresentada por bactérias, o que o levou a descobrir o importante grupo de bactérias que formam endósporos. Atualmente sabemos que os endósporos bacterianos são ex-tremamente resistentes ao calor. Cohn descreveu o ciclo de vida da bactéria formadora de endósporos Bacillus (célula ve-getativa → endósporo → célula vegetativa) e descobriu que as células vegetativas de Bacillus, mas não seus endósporos, eram mortas pela água em ebulição. De fato, a descoberta dos endósporos feita por Cohn ajudou a explicar por que seus contemporâneos, como o cientista irlandês John Tyndall, des-cobriram que a fervura correspondia a um método ineficiente de impedir o crescimento microbiano em infusões líquidas.

T. D

. Bro

ckB

rian

J. F

ord

(a)

(b)

(c)

Figura 1.10 O microscópio de van Leeuwenhoek. (a) Uma réplica do microscópio de van Leeuwenhoek. A lente é montada em uma placa de bronze, adjacente à ponta do parafuso ajustável de foco. (b) Desenhos de Antoni van Leeuwenhoek representando bactérias, publicados em 1684. Mesmo a partir desses desenhos relativamente rudimentares podemos reconhecer vários tipos mor-fológicos de bactérias comuns: A, C, F e G, bactérias em forma de bastonete; E, em forma esférica ou de coco; H, grupos de cocos. (c) Fotomicrografia de um esfregaço de sangue humano observa-do em um microscópio de van Leeuwenhoek. As hemácias estão claramente aparentes. Uma única hemácia apresenta diâmetro de aproximadamente 6 �m.



Cohn continuou seus trabalhos com bactérias até sua aposentadoria. Ele introduziu os fundamentos para o sis-tema de classificação bacteriana, incluindo uma tentativa inicial de definir a natureza de uma espécie bacteriana, um assunto ainda não resolvido atualmente, e fundou uma im-portante revista científica sobre a biologia de plantas e mi-crobiana. Cohn foi também um grande defensor das técnicas e pesquisas desenvolvidas por Robert Koch, o primeiro mi-crobiologista médico. A Cohn também é atribuída a parti-cipação no desenvolvimento de metodologias simples, mas muito eficientes, para impedir a contaminação de meios de cultura, como a utilização de buchas de algodão para fechar os frascos e tubos. Esses métodos foram posteriormente uti-lizados por Koch, resultando em um rápido progresso no iso-lamento e na caracterização de várias bactérias causadoras de doenças (Seção 1.8).


Robert Hooke foi o primeiro a descrever os micro-organis-mos, e Antoni van Leeuwenhoek foi o primeiro a descrever as bactérias. Ferdinand Cohn fundou a área da bacteriologia e descobriu os endósporos bacterianos.

O que impediu o desenvolvimento da ciência da micro- ❚

biologia antes da era de van Leeuwenhoek?Qual importante descoberta se originou a partir dos ❚

estudos de Cohn sobre a resistência térmica dos micro--organismos?

Pasteur e a derrota da teoria da geração espontânea

A segunda metade do século XIX testemunhou o florescimen-to da ciência da microbiologia. O conceito de geração espon-tânea foi derrubado e a ciência da microbiologia de cultura pura emergiu. Vários gigantes científicos despontaram nessa

era, sendo o primeiro destes o francês Louis Pasteur (1822-1895), contemporâneo de Cohn.

Isômeros ópticos e fermentaçõesPasteur especializou-se em química e foi um dos primeiros cientistas a reconhecer a significância dos isômeros ópticos (l Seção 3.6). Uma molécula é opticamente ativa se uma solução pura ou um cristal da molécula desvia a luz em uma única direção. Pasteur estudou os cristais de ácido tartárico, que separou manualmente, naqueles que desviam um feixe de luz polarizada para a esquerda e naqueles que desviam o feixe para a direita (Figura 1.12). O tartarato foi escolhido por tratar-se de um produto secundário indesejável no pro-cesso de produção de vinho, portanto encontrava-se pronta-mente disponível na França, e também porque as soluções de ácido tartárico são particularmente bem cristalizadas. Pas-teur descobriu que o bolor Aspergillus metaboliza somente o D-tartarato e não seu isômero óptico L-tartarato. Para Pas-teur, o fato de um organismo vivo discriminar os isômeros ópticos era de profunda importância. Ele começou a consi-derar os processos vivos como inerentemente assimétricos e os processos químicos inanimados como não assimétricos. Para Pasteur, somente os seres vivos poderiam produzir ou consumir seletivamente isômeros ópticos.

Os conceitos de Pasteur sobre a assimetria da vida es-tenderam-se ao seu trabalho sobre fermentações e, por fim, à geração espontânea. A convite de um industrial local, que enfrentava problemas na produção de álcool a partir da fer-mentação de beterrabas, Pasteur iniciou um estudo detalha-do sobre o mecanismo de fermentação alcoólica, naquela época considerado um processo exclusivamente químico. Acreditava-se que as células de levedura presentes no caldo em fermentação correspondiam a uma substância química complexa e a um resultado, em vez de a um catalisador, da fermentação. Um dos produtos secundários da fermentação de beterraba é o álcool amílico. Pasteur testou o caldo em fermentação e descobriu ser o álcool amílico opticamente

1.7

Figura 1.11 Desenho feito por Ferdinand Cohn, em 1866, da grande bactéria filamentosa oxidante de enxofre, Beggiatoa mi-rabilis. Os pequenos grânulos no interior da célula consistem em enxofre elementar, produzido a partir da oxidação do sulfeto de hi-drogênio (H2S). Cohn foi o primeiro a identificar os grânulos como sendo de enxofre. Uma célula de B. mirabilis apresenta cerca de 15 �m de diâmetro.

(a) (b)

T T

P

Forma L Forma D

M M

Pb' b'

h

n n

h

Figura 1.12 Desenhos de cristais de ácido tartárico (C4H6O6) feitos por Louis Pasteur, que ilustraram seu famoso artigo sobre a atividade óptica. (a) Cristal levógiro (forma L). (b) Cristal dextrógi-ro (forma D). Observe que os dois cristais correspondem a imagens especulares (l Seção 3.6). As letras nas faces dos cristais referem-se à forma com que Pasteur marcou as faces das imagens especu-lares dos dois cristais. As cores foram adicionadas para ilustrar de forma mais clara as faces das imagens especulares.



UN

IDA

DE

1

ativo. Observações microscópicas e outros experimentos simples, porém rigorosos, convenceram Pasteur de que a fermentação alcoólica era catalisada por células vivas de levedura. De fato, nas palavras do próprio Pasteur: “[…] a fermentação está associada à vida e integridade estrutural das células, e não a sua morte e a seu decaimento.” A par-tir desse fundamento, Pasteur iniciou uma série de experi-mentos clássicos abordando a geração espontânea, experi-mentos para sempre vinculados a seu nome e à ciência da microbiologia.

Geração espontâneaO conceito de geração espontânea existe desde os tempos bíblicos. A ideia básica da geração espontânea pode ser facil-mente entendida. Por exemplo, se um alimento for deixado de lado por algum tempo, apodrecerá. Quando o material putrefato for examinado ao microscópio, exibirá enorme quantidade de bactérias e, talvez, até mesmo organismos superiores como larvas e vermes. De onde surgiram esses organismos que não estavam aparentes no alimento fresco? Algumas pessoas afirmavam que eles se desenvolveram a partir de sementes ou germes que penetraram no alimento pelo ar. Outros diziam que eles surgiram espontaneamente, a partir de matérias inanimadas, isto é, por geração espontâ-nea. Quem estava correto? Essa controvérsia requeria uma percepção aguçada para sua solução, e este foi exatamente o tipo de problema que atraiu o interesse de Louis Pasteur.

Pasteur era um oponente poderoso à teoria da geração espontânea. Após suas descobertas a respeito da fermen-tação, Pasteur demonstrou que micro-organismos muito semelhantes àqueles observados em materiais em putre-fação podiam ser encontrados no ar. Pasteur concluiu que os organismos encontrados em materiais em putrefação originavam-se de micro-organismos presentes no ar e nas superfícies dos recipientes que continham os materiais. Ele postulou que as células estavam constantemente sendo de-positadas sobre todos os objetos, sendo capazes de crescer quando as condições eram favoráveis. Além disso, Pasteur considerou que, se o alimento fosse tratado de modo a des-truir todos os organismos vivos que o contaminavam, isto é, se fosse tornado estéril, e então protegido da contaminação adicional, não apodreceria.

Pasteur utilizou o calor para eliminar os contaminantes. Outros pesquisadores demonstraram que, se uma solução nutriente fosse selada em um frasco de vidro e aquecida até a fervura por vários minutos, não permitiria o crescimento microbiano (obviamente, somente se endósporos não estives-sem presentes; ver discussão sobre Cohn). O ato de matar to-das as bactérias ou outros organismos presentes em objetos ou em sua superfície é um processo que atualmente denomi-namos esterilização. Aqueles que propunham a geração es-pontânea criticavam tais experimentos, declarando que o “ar fresco” era necessário para a ocorrência do fenômeno. Ale-gavam que a fervura afetava de alguma forma o ar existente no frasco selado, de modo que este não permitia a geração espontânea. Em 1864, Pasteur refutou esta objeção de for-ma simples e brilhante, ao construir um frasco com pescoço de cisne, atualmente denominado frasco de Pasteur (Figura 1.13). Em tal tipo de frasco, as soluções nutrientes podiam ser aquecidas até a ebulição e esterilizadas. No entanto, após o resfriamento do frasco, a re-entrada de ar era permitida, porém as curvas no pescoço (o formato em “pescoço de cis-

ne”) impediam a entrada de matéria particulada (contendo os micro-organismos) no corpo principal do frasco, o que causaria a putrefação.

O caldo esterilizado em um frasco de Pasteur não sofria putrefação e os micro-organismos jamais surgiam no frasco enquanto não houvesse contato entre o pescoço e o líquido estéril. No entanto, se o frasco fosse inclinado de modo a permitir o contato do líquido estéril com o pescoço contami-nado do frasco (Figura 1.13c), ocorria a putrefação e logo o líquido apresentava inúmeros micro-organismos. Esse expe-rimento simples encerrou efetivamente a controvérsia sobre a geração espontânea, permitindo que a ciência da micro-biologia avançasse a passos firmes. Casualmente, o trabalho de Pasteur também levou ao desenvolvimento de procedi-mentos eficientes de esterilização, os quais foram refinados e estendidos às pesquisas microbiológicas tanto básicas como aplicadas. A ciência dos alimentos também deve muito a Pas-teur, uma vez que seus princípios são atualmente aplicados no envasamento e na preservação do leite e outros alimentos (pasteurização).

Um líquido não estéril é vertido no frasco

O pescoço do frasco é dobrado em uma chama

O líquido é esterilizado por aquecimento intenso

Vapor expelido pela extremidade aberta

(a)

(c)

(b) O líquido é lentamente resfriado

Poeira e micro-organismos aprisionados na curvatura

Longo períodode tempo

Curto período de tempo

O líquido permanece estéril indefinidamente

O frasco é inclinado, permitindo o contato da poeira contendo micro-organismos com o líquido estéril

Os micro-organismos crescem no líquido

Extremidade aberta

Figura 1.13 Derrota da geração espontânea: o experimen-to de Pasteur empregando o frasco com pescoço de cisne. (a) Esterilização do conteúdo do frasco. (b) Se o frasco permanecesse na posição vertical, não ocorria crescimento microbiano. (c) Se os micro-organismos aprisionados no pescoço atingissem o líquido es-téril, havia o crescimento microbiano.



Outras realizações de Louis PasteurPasteur teve vários outros triunfos na microbiologia e me-dicina, além de seu trabalho seminal em relação à geração espontânea. Alguns destaques incluem o desenvolvimento de vacinas contra as doenças antraz, cólera aviária e raiva, durante um período cientificamente muito produtivo de sua vida, de 1880 a 1890. O trabalho de Pasteur envolvendo a rai-va foi seu êxito mais famoso, culminando, em julho de 1885, com a primeira administração de uma vacina antirrábica em um humano, um jovem rapaz francês, Joseph Meister, que havia sido mordido por um cão raivoso. Naquela época, a mordida por um animal raivoso representava uma sentença de morte. A notícia sobre o sucesso da vacinação de Meister e do jovem pastor Jean Baptiste Jupille (Figura 1.14a), admi-nistrada logo após, disseminou-se rapidamente e, no decor-rer de um ano, cerca de 2.500 pessoas vieram a Paris para serem tratadas com a vacina antirrábica de Pasteur.

A fama de Pasteur decorrente de sua pesquisa sobre a raiva foi legendária e levou o governo francês a construir o Instituto Pasteur, em Paris, em 1888. Originalmente concebi-do como um centro clínico para tratamento da raiva e de ou-tras doenças contagiosas, o Instituto Pasteur é, atualmente, o principal centro de pesquisa biomédica voltado à produção de antissoro e vacinas (Figura 1.14b). As descobertas de Pas-teur na medicina e veterinária não foram importantes apenas por si, mas também auxiliaram a solidificar o conceito da teoria que associava as doenças aos germes, cujos princípios estavam sendo desenvolvidos nesse mesmo período por Ro-bert Koch, um segundo gigante dessa era.


Louis Pasteur é melhor lembrado por seu engenhoso expe-rimento demonstrando que os organismos vivos não eram gerados espontaneamente a partir da matéria inanimada. O trabalho de Pasteur nessa área levou a muitas das técnicas básicas centrais à ciência da microbiologia, incluindo o con-ceito e a prática da esterilização.

Defina o termo estéril. ❚

Como o experimento com o frasco em pescoço de cisne ❚

de Pasteur demonstrou que o conceito de geração espon-tânea era inválido?

Koch, doença infecciosa e surgimento da microbiologia de cultura pura

A comprovação de que micro-organismos poderiam causar doenças possivelmente constituiu o maior impulso no desen-volvimento da ciência da microbiologia. Já no século XVI, acreditava-se que algo que causasse uma doença poderia ser transmitido de um indivíduo doente a um indivíduo sadio. Após a descoberta dos micro-organismos, acreditava-se am-plamente que eles eram responsáveis, embora faltasse uma prova definitiva. Melhorias nas medidas sanitárias promo-vidas por Ignaz Semmelweis e Joseph Lister forneceram evidências indiretas da importância dos micro-organismos como agentes causadores de doenças humanas, porém so-mente após os trabalhos de um médico alemão, Robert Koch (1843-1910), o conceito de doença infecciosa recebeu uma fundamentação experimental.

A teoria das doenças causadas por germes e os postulados de KochEm seu trabalho inicial, Koch estudou o antraz, uma doença do gado e, ocasionalmente, de seres humanos. O antraz é causado por uma bactéria formadora de endósporos, deno-minada Bacillus anthracis. A partir de análises microscópicas cuidadosas e utilizando corantes especiais, Koch verificou que as bactérias sempre se encontravam presentes no sangue de um animal que estava morrendo da doença. Entretanto, Koch ponderou que a mera associação da bactéria com a doença não era suficiente para provar que ela correspondia à real causa da doença. Em vez disso, a bactéria poderia ser um resultado da doença. Como a causa e o efeito poderiam ser associados? No caso do antraz, Koch percebeu uma opor-tunidade para estudar a causa e o efeito experimentalmente,

1.8

M.T

. Mad

igan

(b)

(a)

Figura 1.14 Louis Pasteur e os símbolos de suas contribui-ções à microbiologia. (a) Uma cédula de cinco francos franceses. A cédula exibe uma pintura de Pasteur e símbolos de suas muitas conquistas científicas. O menino pastor Jean Baptiste Jupille é ilus-trado afugentando um cão raivoso que havia atacado um grupo de crianças. A vacina antirrábica de Pasteur salvou a vida de Jupille. Na França, o franco precedeu o euro como moeda. (b) Instituto Pasteur, Paris, França. Fotografia da estrutura original construída pelo gover-no francês para Pasteur e inaugurada em 1888. Atualmente, o Insti-tuto Pasteur é um campus contendo várias construções. A cripta de Pasteur e o museu onde estão expostos os frascos com pescoço de cisne originais e outros equipamentos científicos estão localizados na construção original.



UN

IDA

DE

1

e seus resultados geraram o padrão a partir do qual as doen-ças infecciosas têm sido estudadas desde então.

Koch utilizou camundongos como animais experimen-tais. Empregando todos os controles apropriados, Koch de-monstrou que, quando uma pequena quantidade de sangue de um camundongo doente era injetada em um camundon-go sadio, este último rapidamente desenvolvia o antraz. Ele coletou sangue deste segundo animal e, após injetá-lo em outro, novamente verificou os sintomas característicos da doença. No entanto, Koch introduziu uma etapa adicional a esse experimento, a qual teve importância fundamental. Ele descobriu que as bactérias do antraz podiam ser cultivadas em fluidos nutrientes fora do corpo do animal e que, mesmo após várias transferências em meio de cultura laboratorial, as bactérias ainda causavam a doença quando inoculadas em um animal sadio.

Com base nesses experimentos e em experimentos rela-cionados realizados em seu trabalho seminal sobre o agente causador da tuberculose, Koch formulou um conjunto de critérios rigorosos, atualmente conhecidos como postulados

de Koch, para associar definitivamente um micro-organismo específico a uma doença específica:

1. O organismo causador da doença deve sempre estar pre-sente em animais que sofrem da doença e ausente nos animais sadios.

2. O organismo deve ser cultivado em cultura pura, fora do corpo do animal.

3. O organismo isolado deve causar a doença quando ino-culado em um animal sadio suscetível.

4. O organismo deve ser reisolado a partir desses animais experimentais e novamente cultivado em laboratório, devendo, então, apresentar as mesmas características do organismo original.

Os postulados de Koch estão resumidos na Figura 1.15. Os postulados de Koch representaram um gigantesco passo no estudo das doenças infecciosas. Os postulados não somen-te forneceram uma maneira de associar-se a causa e o efeito de uma doença infecciosa, mas também enfatizaram a im-

Animaldoente

Animal doente

Observar oEritrócito aomicroscópio

Patógenosuspeito

Patógenosuspeito

Culturalaboratorial

Eritrócitosangue/tecido

Eritrócitosangue/tecido

Colônias dopatógenosuspeito

Nenhumorganismopresente

Cultura pura(deve ser omesmoorganismoque oanterior)

Inocular o animal sadio comcélulas do patógeno suspeito

Remover uma amostra de sangue outecido e observar ao microscópio

2. O organismo suspeitodeve ser cultivado emcultura pura.

1. O organismo patogênico suspeito deve estarpresente em todos os casosda doença e ausente emanimais sadios.

3. Células de uma culturapura do organismo suspeitodevem causar a doença emum animal sadio.

4. O organismo deve ser reisolado e demonstrar-se idêntico ao original.

OS POSTULADOS DE KOCH

Os Postulados: Ferramentas:Animalsadio

Microscópio, corantes

Cultura laboratorial

Animal experimental

Reisolamento laboratorial

Inocular um meio sólido com uma amostra do animal doente ou do animal sadio

Figura 1.15 Postulados de Koch para provar que um micro-organismo específico causa uma doença específica. Observe que, após o isolamento do patógeno suspeito em uma cultura pura, uma cultura laboratorial do organismo deve ser capaz tanto de iniciar a doença, como ser recuperada do animal doente. O estabelecimento das condições corretas para o cultivo do patógeno é essencial, pois, do con-trário, este será perdido.



portância da cultura laboratorial do provável agente infeccio-so. Utilizando esses postulados como guia, Koch, seus alunos e aqueles que os seguiram descobriram os agentes causado-res da maioria das doenças infecciosas importantes de seres humanos e de outros animais. Essas descobertas levaram ao desenvolvimento de tratamentos eficazes para a prevenção e cura de várias dessas doenças, trazendo, assim, grande avan-ço às bases científicas da medicina clínica e da saúde e bem estar dos seres humanos (Figura 1.8).

Koch e as culturas purasPara associar um micro-organismo específico a uma doença específica, o micro-organismo deve ser inicialmente isolado dos outros micro-organismos em uma cultura laboratorial; em microbiologia dizemos que tal tipo de cultura é pura. Esse con-ceito foi preservado quando Robert Koch formulou seus famo-sos postulados (Figura 1.15), e para fazê-lo, ele desenvolveu uma série de métodos simples, mas engenhosos, para obter bactérias em culturas puras (ver o Complemento Microbiano, “Os meios sólidos, a placa de Petri e as culturas puras”).

Koch iniciou seus trabalhos de forma rudimentar, utili-zando nutrientes sólidos como uma fatia de batata para culti-var bactérias. Entretanto, rapidamente passou a desenvolver métodos mais confiáveis, muitos dos quais ainda são utiliza-dos atualmente. Koch observou que, quando uma superfície sólida, como uma fatia de batata, era incubada exposta ao ar, havia o desenvolvimento de colônias bacterianas, cada uma exibindo cores e formas características. Ele inferiu que

cada colônia surgia a partir de uma única célula bacteriana que caíra na superfície e, ao encontrar nutrientes adequados, passara a multiplicar-se. Cada colônia correspondia a uma população de células idênticas ou, em outras palavras, a uma cultura pura. Koch percebeu que o uso de meios sólidos cor-respondia a uma forma simples de obter-se culturas puras. No entanto, uma vez que nem todos os organismos crescem em fatias de batata, Koch desenvolveu soluções nutrientes mais uniformes e reprodutíveis, solidificadas pela adição de gelatina e, posteriormente, ágar, técnicas laboratoriais que ainda são utilizadas hoje em dia (ver o Complemento Micro-biano).

Um teste dos postulados de Koch: a tuberculoseA realização que coroou Koch na bacteriologia médica foi sua descoberta do agente causador da tuberculose. Quando Koch iniciou esse trabalho (1881), um sétimo de todas as mortes humanas notificadas eram causadas pela tuberculo-se (Figura 1.8). Havia grande suspeita de a tuberculose ser uma doença contagiosa, embora seu agente etiológico nun-ca houvesse sido detectado, seja em tecidos doentes seja em meios de cultura. Koch estava determinado a demonstrar o agente causador da tuberculose e, para isso, empregou todos os métodos que havia cuidadosamente desenvolvido em seus estudos anteriores com o antraz: microscopia, coloração, iso-lamento em cultura pura e um sistema modelo animal (Figu-ra 1.15).

Atualmente, sabemos que a bactéria causadora da tu-berculose, Mycobacterium tuberculosis, é de difícil coloração devido à presença de grandes quantidades de um lipídeo cé-reo presente em sua parede celular. Entretanto, Koch desen-volveu uma metodologia de coloração de M. tuberculosis em amostras de tecidos, empregando azul de metileno alcalino associado a um segundo corante (marrom de Bismarck) que corava somente o tecido. Com esse método, Koch observou células bacilares de M. tuberculosis, de coloração azul bri-lhante, presentes nos tecidos tuberculosos, os quais se cora-vam em marrom claro (Figura 1.16). Contudo, a partir de seu trabalho prévio com antraz, Koch percebeu que a simples identificação de um organismo associado à tuberculose não era suficiente. Ele sabia que devia cultivar o organismo, a fim de provar que este realmente correspondia à causa específica da tuberculose.

A obtenção de culturas de M. tuberculosis não foi uma tarefa simples mas, finalmente, Koch obteve sucesso no de-senvolvimento de colônias desse organismo em um meio con-tendo soro coagulado. Posteriormente, ele utilizou ágar, que recentemente havia sido adotado como agente solidificante (ver o Complemento Microbiano). Nas melhores condições, as células de M. tuberculosis crescem lentamente em meios de cultura, porém a persistência e paciência de Koch levaram à obtenção de culturas puras desse organismo, a partir de uma variedade de fontes humanas e animais.

A partir disso, foi relativamente fácil para Koch utilizar seus postulados (Figura 1.15) e obter a prova definitiva de que o organismo que ele havia isolado correspondia à ver-dadeira causa da tuberculose. Cobaias podem ser facilmente infectadas com M. tuberculosis e, por fim, morrem de tuber-culose sistêmica. Koch demonstrou que as cobaias doentes apresentavam massas de células de M. tuberculosis em seus tecidos e que culturas puras obtidas a partir de tais animais transmitiam a doença a animais não infectados. Dessa for-ma, Koch satisfez plenamente seus quatro postulados (Figu-

(a) (b)

(c) (d)

Figura 1.16 Desenhos de Mycobacterium tuberculosis feitos por Robert Koch. Robert Koch foi o primeiro a isolar M. tubercu-losis, demonstrando ser este o agente causador da tuberculose. (a) Seção transversal de um tubérculo de tecido pulmonar. As células de M. tuberculosis coram-se em azul, enquanto o tecido pulmonar é corado em marrom. (b) Células de M. tuberculosis em uma amostra de escarro obtida de um paciente com tuberculose. (c) Cultivo de M. tuberculosis em uma placa de vidro contendo soro coagulado, no interior de uma caixa de vidro (com a tampa aberta). (d) Uma colônia de células de M. tuberculosis retiradas da placa (c) e observadas mi-croscopicamente, com aumento de 700 vezes; as células aparecem como formas longas, semelhantes a cordas. Desenhos originais de Koch, R. 1884. “Die Aetiologie der Tuberkulose.” Mittheilungen aus dem Kaiserlichen Gesundheitsamte 2:1-88.


Os meios sólidos, a placa de Petri e as culturas puras

Complemento microbiano

Figura 1 Fotografia colorida à mão de colônias formadas na superfície do ágar, tirada por Walter Hesse. As colônias incluem aquelas de fungos (bolores) e bactérias e foram obtidas durante os estudos iniciados por Hesse sobre o conteúdo microbiológico do ar, em Berlim, Alemanha, em 1882.De Hesse, W. 1884. “Ueber quantitative Bestimmung der in der Luft enthaltenen Mikrooganismen,” em Struck, H. (ed.), Mittheilungen aus dem Kaiserlichen Gesundheitsamte. August Hirschwald.

Pau

l V. D

unla

p

Figura 2 Fotografia de uma placa de Pe-tri contendo colônias de bactérias marinhas. Cada colônia contém bilhões de células bac-terianas, descendentes de uma única célula.

Robert Koch foi o primeiro a cultivar bactérias em meios de cultura só-lidos. A utilização inicial de fatias

de batata como meio sólido apresentava vários problemas. Além de serem parti-cularmente seletivas em relação a quais bactérias seriam capazes de crescer nas fatias, elas frequentemente permitiam um crescimento abundante de bolores. Assim, Koch necessitava de uma forma mais confi-ável e reprodutível de cultivar bactérias em meios sólidos, tendo encontrado a respos-ta no ágar.

Koch inicialmente utilizou gelatina como agente solidificante dos vários fluidos nu-trientes que empregava no cultivo de bac-térias e desenvolveu uma técnica de pre-paro de fatias grossas horizontais de meios sólidos, as quais eram mantidas livres da contaminação ao serem cobertas por uma redoma ou colocadas em uma caixa de vi-dro (ver Figura 1.16c). A gelatina nutriente mostrou-se um excelente meio de cultura para o isolamento e estudo de várias bac-térias, mas apresentava uma série de limita-ções, sendo a principal delas o fato de não permanecer sólida a 37ºC, a temperatura ótima para o crescimento da maioria dos patógenos humanos. Assim, era necessário um agente solidificante diferente.

O ágar é um polissacarídeo derivado de algas vermelhas. Ele era amplamente utili-zado no século XIX como agente gelifican-te. Walter Hesse, um associado de Koch, foi o primeiro a utilizar o ágar como agente solidificante de meios de cultura bacteria-nos (Figura 1). A ideia de utilizar-se ágar, em vez de gelatina, foi da esposa de Hes-

se, Fannie. Ela utilizava ágar para solidificar geleias de frutas. Quando ele foi testado como agente solidificante em meios de cultura nutrientes, suas qualidades gelifi-cantes superiores tornaram-se imediata-mente evidentes. Hesse escreveu a Koch sobre a descoberta, e Koch rapidamente adaptou o ágar a seus próprios estudos, incluindo seus clássicos estudos envolven-do o isolamento da bactéria Mycobacte-rium tuberculosis, o agente etiológico da tuberculose (ver texto e Figura 1.16).

O ágar apresenta várias outras proprie-dades que o tornam interessante como agente gelificante de meios de cultura microbianos. Em particular, o ágar perma-nece sólido a 37ºC (temperatura corporal humana), e, após sua fusão durante o pro-cesso de esterilização, mantém-se no es-tado líquido a até cerca de 45ºC, quando pode ser vertido em recipientes estéreis. Além disso, contrariamente à gelatina, que é degradada por várias bactérias, promo-vendo a liquefação do meio, o ágar não é degradado pela maioria das bactérias. O ágar também torna a maioria dos meios de cultura sólidos transparentes, facilitando a diferenciação das colônias bacterianas em relação à matéria particulada suspensa no meio. Portanto, o ágar encontrou o seu lugar precocemente nos anais da micro-biologia, sendo ainda utilizado atualmente para a obtenção e manutenção de culturas de bactérias.

Em 1887, Richard Petri, um bacteriolo-gista alemão, publicou um pequeno artigo descrevendo uma modificação da técnica de placa chata de Koch (Figura 1.16c). O

aprimoramento feito por Petri, o qual aca-bou tornando-se extremamente útil, con-sistiu no desenvolvimento de placas trans-parentes de dupla face, que receberam seu nome (Figura 2). As vantagens das placas de Petri tornaram-se imediatamente evidentes. Elas podiam ser facilmente em-pilhadas e esterilizadas separadamente do meio e, após a adição de meio de cultura fundido à menor das duas placas, a maior poderia ser utilizada como uma tampa, impedindo a contaminação. As colônias formadas na superfície do ágar na placa de Petri permaneciam em contato com o ar e podiam ser facilmente manipuladas para estudos posteriores. A ideia original de Petri foi mantida até hoje e a placa de Petri, confeccionada em vidro reutilizável e esterilizada pelo calor, ou de plástico des-cartável e esterilizada por óxido de etileno (um gás esterilizante), é o principal suporte do laboratório de microbiologia.

Koch estava atento às implicações que seus métodos para a obtenção de cul-turas puras apresentavam no estudo da sistemática microbiana. Ele observou que diferentes colônias (diferindo na colora-ção, morfologia, no tamanho, e assim por diante, ver Figura 2) desenvolviam-se em meios sólidos expostos a um objeto conta-minado, e que se multiplicavam e podiam ser distinguidas entre si de acordo com suas características coloniais. As células de diferentes colônias também diferiam microscopicamente e, frequentemente, em relação às necessidades térmicas ou nutricionais. Koch percebeu que essas di-ferenças entre os micro-organismos pre-

➤


ra 1.15), compreendendo-se, então, a causa da tuberculose. Koch anunciou sua descoberta da causa da tuberculose em 1882 e publicou um artigo completo sobre o assunto em 1884. Neste último, seus postulados encontram-se mais claramente expressos. Por suas contribuições sobre a tuberculose, Ro-bert Koch foi agraciado com o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1905.

Os postulados de Koch atualmenteNo caso de doenças onde há um exemplar animal disponível, a demonstração dos postulados de Koch é relativamente sim-ples. Na medicina clínica moderna, no entanto, essa tarefa nem sempre é tão fácil. Até mesmo Koch teve dificuldades para satisfazer seus postulados em alguns casos. Tomemos a cólera como exemplo. Atualmente, há um modelo animal de estudo adequado para a cólera, porém esse não era o caso na época de Koch. Uma vez que somente uma fração dos volun-tários humanos que receberam células de Vibrio cholerae, a bactéria causadora da cólera, contraíram a doença, a obten-ção de uma prova definitiva mostrava-se difícil.

Mesmo atualmente, algumas vezes é impossível satis-fazer os postulados de Koch. Por exemplo, os agentes etio-lógicos de várias doenças humanas não causam a doença em qualquer animal experimental conhecido. Eles incluem muitas das doenças associadas a bactérias intracelulares obrigatórias, como riquétsias e clamídias e doenças causadas por alguns vírus e protozoários. Considerando-se que para a maioria dessas doenças não seria ético utilizar voluntários humanos para satisfazer os postulados de Koch, é provável que a causa e o efeito, nesses casos, jamais serão compro-vados de modo inequívoco. Contudo, em relação a muitas dessas doenças, evidências clínicas e epidemiológicas (ras-treamento da doença) fornecem uma comprovação relativa das suas causas específicas. Assim, embora os postulados de Koch permaneçam como um “padrão de ouro” da microbio-logia médica, até o momento demonstrou-se a impossibilida-

de de satisfazer todos os seus postulados em relação a todas as doenças infecciosas.


Robert Koch definiu critérios para o estudo de micro-orga-nismos infecciosos e desenvolveu os primeiros métodos para a obtenção de culturas puras de micro-organismos.

Como os postulados de Koch provam a causa e o efeito ❚

de uma doença?Que vantagens os meios de cultura sólidos oferecem ao ❚

cultivo de micro-organismos?O que é uma cultura pura? ❚

Diversidade microbiana e o advento da microbiologia geral

Com o avanço da microbiologia, a partir do século XIX e no século XX, o enfoque inicial nos aspectos médicos da mi-crobiologia foi ampliado, passando a incluir estudos sobre a diversidade microbiana do solo e da água, bem como dos processos metabólicos realizados pelos organismos nesses hábitats. Isso representou o início da microbiologia geral, um termo que se refere principalmente aos aspectos não médicos da microbiologia. Dois gigantes dessa era foram o holandês Martinus Beijerinck e o russo Sergei Winogradsky.

Martinus Beijerinck e a cultura de enriquecimentoMartinus Beijerinck (1851–1931), um professor na Escola Po-litécnica de Delft, na Holanda, especializou-se inicialmente em botânica, tendo começado sua carreira na microbiologia com o estudo das plantas. A maior contribuição de Beijerin-

1.9

Os meios sólidos, a placa de Petri e as culturas puras (continuação)

Complemento microbiano

enchiam todos os requisitos estabelecidos pelos taxonomistas para a classificação de organismos superiores, como espécies de plantas e animais. Nas próprias palavras de Koch (traduzidas do alemão): “Todas as bactérias que mantêm as características que as diferenciam das demais quando são cultivadas em um mesmo meio e nas mesmas condições, devem ser designa-das como espécies, variedades, formas ou outra designação adequada.” A partir do estudo de culturas puras, Koch também

percebeu que seria possível mostrar que organismos específicos apresentam efei-tos específicos, não somente em relação a causar uma doença, mas também em rela-ção a outras capacidades. Tal observação criteriosa foi significativa na aceitação re-lativamente rápida da microbiologia como uma ciência biológica independente, no início do século XX.

A descoberta dos meios de cultura sóli-dos por Koch e sua ênfase na microbiologia de culturas puras levou-o além da esfera

da bacteriologia médica. Suas descober-tas forneceram as ferramentas criticamente necessárias ao desenvolvimento das áreas da taxonomia e genética bacterianas e de várias outras disciplinas relacionadas. Cer-tamente, todas as áreas da microbiologia devem muito a Robert Koch e seus cola-boradores, por sua intuição em relação à importância das culturas puras e pelo de-senvolvimento da maioria dos métodos bá-sicos utilizados em microbiologia.



UN

IDA

DE

1

ck à microbiologia foi sua clara formulação do conceito da técnica de cultura de enriquecimento. Nas culturas de en-riquecimento, os micro-organismos obtidos a partir de amos-tras naturais são isolados de modo altamente seletivo, pela manipulação dos nutrientes e das condições de incubação. A capacidade de Beijerinck foi competentemente demonstrada quando, após a descoberta de Winogradsky do processo de fixação de nitrogênio (ver Figura 1.19), ele realizou o enri-quecimento da bactéria aeróbia fixadora de nitrogênio, Azo-tobacter (Figura 1.17, l Figura 22.1).

A partir do uso da técnica de culturas de enriquecimen-to, Beijerinck isolou as primeiras culturas puras de muitos micro-organismos de solo e aquáticos, incluindo bactérias re-dutoras de sulfato e oxidantes de enxofre, bactérias fixadoras de nitrogênio presentes no nódulo radicular, espécies de Lac-tobacillus, algas verdes, várias bactérias anaeróbias e muitos outros micro-organismos. Em seus estudos sobre a doença do mosaico do tabaco, Beijerinck demonstrou, utilizando técni-cas de filtração seletiva, que o agente infeccioso (um vírus) era menor do que uma bactéria e que, de alguma forma ele incorporava-se às células da planta hospedeira viva. Nesse importante trabalho, Beijerinck não somente descreveu o pri-meiro vírus, mas também os princípios básicos da virologia, os quais apresentaremos posteriormente no Capítulo 10.

Sergei Winogradsky e o conceito de quimiolitotrofiaSergei Winogradsky (1856–1953) possuía interesses cientí-ficos similares aos de Beijerinck, tendo também sucesso no isolamento, ou pelo menos no enriquecimento, de várias bac-térias de importância a partir de amostras naturais. Wino-gradsky estava particularmente interessado nas bactérias que realizavam os ciclos de compostos nitrogenados e sulfurosos, como bactérias nitrificantes e bactérias púrpuras sulfurosas (Figura 1.18). Ele mostrou, em seu trabalho, que bactérias específicas estavam associadas a transformações biogeoquí-micas específicas. Por exemplo, as bactérias que realizam o ciclo de compostos nitrogenados, não ciclam compostos sulfurosos e vice-versa. Além disso, a percepção aguçada de Winogradsky da biologia desses organismos revelou a impor-tância metabólica de suas transformações biogeoquímicas. A partir de seus estudos com as bactérias oxidantes de enxofre, por exemplo, Winogradsky propôs o conceito de quimioli-totrofia, a oxidação de compostos inorgânicos associada à conservação de energia (Figura 1.19a). A partir de seus es-tudos sobre o processo quimiolitotrófico de nitrificação (a oxidação de amônia a nitrato), Winogradsky demonstrou que os organismos responsáveis – as bactérias nitrificantes – obti-nham seu carbono a partir de CO2. Desse modo, Winogradsky demonstrou que, assim como os organismos fototróficos, as bactérias nitrificantes eram autotróficas (Figura 1.19a).

Utilizando um método de enriquecimento, Winogradsky realizou o primeiro isolamento de uma bactéria fixadora de nitrogênio, a bactéria anaeróbia Clostridium pasteurianum, formulando, assim, o conceito de fixação do nitrogênio (Fi-gura 1.19b). Beijerinck utilizou essa descoberta para condu-zir o isolamento de bactérias aeróbias fixadoras de nitrogê-nio anos depois (Figura 1.17). Winogradsky viveu quase até os 100 anos, publicando muitos artigos científicos e uma im-portante monografia, Microbiologie du Sol (Microbiologia do solo). Esse trabalho, um verdadeiro marco da microbiologia, contém desenhos de muitos dos organismos estudados por Winogradsky durante sua longa carreira (Figura 1.18).


Beijerinck e Winogradsky estudaram bactérias habitantes do solo e da água e desenvolveram a técnica de cultura de enriquecimento para o isolamento de vários micro--organismos. Novos conceitos importantes de microbiologia geral emergiram durante esse período, incluindo culturas de enriquecimento, quimiolitotrofia, quimioautotrofia e fixação de nitrogênio.

O que é a técnica de cultura de enriquecimento? ❚

Que informação contida na Figura 1.19 revela que a oxi- ❚

dação de enxofre e a nitrificação são processos quimio-litotróficos (geradores de energia) e que o processo de fixação de nitrogênio não o é?

(a)

(b)

Lesl

ey R

ober

tson

e K

luyv

er L

abor

ator

y M

useu

m,

Del

ft U

nive

rsity

of T

echn

olog

yLe

sley

Rob

erts

on e

Klu

yver

Lab

orat

ory

Mus

eum

, Del

ft U

nive

rsity

of T

echn

olog

y

Figura 1.17 Martinus Beijerinck e Azotobacter. (a) Parte de uma página do protocolo de laboratório de M. Beijerinck, datado de 31 de dezembro de 1900, descrevendo suas observações sobre a bactéria aeróbia fixadora de nitrogênio, Azotobacter chroococcum (nome assinalado pelo círculo vermelho). Nesta página, Beijerinck empregou o nome pela primeira vez, sendo este ainda reconheci-do atualmente. Compare os desenhos de Beijerinck dos pares de células de A. chroococcum com a fotomicrografia de células de Azotobacter apresentada na Figura 15.18a. (b) Uma pintura feita pela irmã de M. Beijerinck, Henrëtte Beijerinck, mostrando células de Azotobacter chroococcum. Beijerinck utilizou tais pinturas para ilustrar suas aulas.



A era moderna da microbiologia

No século XX, a microbiologia desenvolveu-se rapidamente, seguindo duas direções diferentes, porém complementares – a aplicada e a básica. Durante esse período, foram disponi-bilizadas novas ferramentas laboratoriais para o estudo de micro-organismos, e a ciência da microbiologia amadureceu, originando novas subdisciplinas. Poucas dessas subdiscipli-nas eram integralmente aplicadas ou integralmente básicas. Em vez disso, a maioria apresentava ambos os aspectos refe-rentes às descobertas (básica) e os aspectos referentes à solu-ção de problemas (aplicada). A Tabela 1.1 resume algumas das conquistas fundamentais ocorridas durante os primeiros 300 anos da microbiologia; a Figura 1.20 exibe uma cronolo-gia das principais realizações, de 1975 até os dias de hoje.

A origem das principais subdisciplinas da microbiologia aplicadaOs avanços de Robert Koch no entendimento da natureza das doenças infecciosas e no cultivo de patógenos em labora-tório catalisaram o desenvolvimento das áreas de microbio-logia médica e imunologia, ambas subdisciplinas essenciais da microbiologia atual. Pesquisas nessas áreas resultaram na descoberta de vários novos patógenos bacterianos de huma-nos e outros animais e na elucidação dos mecanismos pelos quais esses patógenos infectam o organismo, ou são impedi-dos pelas suas defesas. Outros avanços práticos, reforçados pelas descobertas de Beijerinck e Winogradsky, deram-se no campo da microbiologia agrícola, os quais levaram ao enten-dimento dos processos microbianos no solo, como a fixação de nitrogênio (Figura 1.19b), que beneficiam o crescimento das plantas. Posteriormente, no século XX, estudos envolven-do os micro-organismos do solo levaram ao descobrimento de antibióticos e outros importantes compostos químicos. Esse fato levou ao surgimento da microbiologia industrial, o cultivo em larga escala de micro-organismos para a produ-ção de produtos de interesse comercial.

Os avanços na microbiologia do solo também fornece-ram a base para os estudos dos processos microbianos em lagos, rios e oceanos – microbiologia aquática e microbiolo-gia marinha. Um dos ramos da microbiologia aquática lida com processos de tratamento de esgotos e outros dejetos de água, tornando-os não prejudiciais ao homem e ao meio am-biente, fornecendo água potável segura. Atualmente, a mi-crobiologia marinha vem ganhando popularidade devido à gama de novas ferramentas disponíveis para o estudo da di-versidade e das atividades dos micro-organismos marinhos, assim como para o reconhecimento do provável papel dos micro-organismos marinhos no controle de importantes pa-râmetros globais, incluindo o clima e a química atmosférica. Com o aumento do interesse pelo estudo da biodiversidade e das atividades dos micro-organismos em seus ambientes naturais, a ecologia microbiana emergiu nas décadas de 1960 e 1970. Atualmente, a ecologia microbiana está vivendo uma “fase áurea” catalisada pelo desenvolvimento de novas fer-ramentas moleculares, particularmente aquelas da genômi-ca. Essas ferramentas poderosas permitem aos ecologistas microbianos avaliar a biodiversidade e as atividades micro-bianas até mesmo de comunidades microbianas muito com-plexas.

1.10

From

Mic

rob

iolo

gie

du

Sol

, use

d w

ith p

erm

issi

on

Figura 1.18 Desenhos de células de bactérias fototróficas púrpuras sulfurosas coloridos à mão. Os desenhos originais fo-ram feitos por Sergei Winogradsky, por volta de 1887, sendo pos-teriormente copiados e coloridos à mão por sua esposa, Hèléne. As Figuras 3 e 4 revelam células do gênero Chromatium, como C. okenii. Compare com uma fotomicrografia de células de C. okenii, apresentada na Figura 15.4a.

Proteína

Ácido nucleico

H2S

Oxidação de sulfeto Nitrificação

ADP + Pi ATP

S0

Quimiolitotrofia

Quimioautotrofia

Fixação de nitrogênio

ADP + Pi ATP

SO42– NH3 NO2

– NO3–

N2 + 6H

ATP ADP + Pi

2NH3

(a)

(b)

CO2 CO2

Figura 1.19 Principais conceitos desenvolvidos por Sergei Wi-nogradsky. (a) Quimiolitotrofia e quimioautotrofia. A oxidação de compostos sulfurosos ou nitrogenados gera energia (ATP) e a célula obtém carbono a partir de CO2. Fotografia à esquerda, a bactéria sulfurosa Achromatium; à direita, Nitrobacter, uma bactéria que re-aliza a primeira etapa da nitrificação (NH3→NO2

�). (b) Fixação de ni-trogênio. Esse processo consome ATP mas permite à célula utilizar o nitrogênio gasoso (N2) para todas as suas necessidades de nitro-gênio. Fotografia de Azotobacter, uma bactéria aeróbia fixadora de nitrogênio (ver também Figura 1.17).



UN

IDA

DE

1

Subdisciplinas da ciência básica da microbiologiaO século XX presenciou o desenvolvimento de várias subdis-ciplinas novas da ciência básica da microbiologia. A partir da metade do século XX, vários micro-organismos novos foram cultivados, resultando em um significativo refinamento da sistemática microbiana, a ciência de agrupamento e classifi-cação de micro-organismos. Isso culminou na construção de uma árvore filogenética da vida, conforme discutiremos no próximo capítulo. A ecologia microbiana impulsionou esses avanços ao revelar, sem o cultivo de qualquer organismo, na maioria dos casos, a existência de um vasto mundo inexplo-rado de diversidade microbiana em virtualmente qualquer hábitat passível de ser analisado. A fisiologia microbiana estu-da os nutrientes requeridos pelos micro-organismos para seu metabolismo e crescimento, bem como os produtos que sin-tetizam a partir desses nutrientes. Um maior entendimento da estrutura dos micro-organismos (citologia) e a descoberta de enzimas microbianas e das reações químicas realizadas por eles (bioquímica microbiana) também influenciaram sig-nificativamente a prática atual da microbiologia.

Uma área fundamental da pesquisa básica, que pro-grediu rapidamente a partir da metade do século XX, foi o estudo da hereditariedade e das variações bacterianas, a subdisciplina da genética bacteriana. Embora alguns aspec-tos da genética bacteriana já fossem conhecidos no início do século XX, somente a partir do descobrimento dos processos de transferência de genes em bactérias, por volta de 1950, a genética bacteriana tornou-se uma das principais áreas de estudo. A genética, bioquímica e fisiologia bacterianas com-partilharam raízes comuns durante os anos 1950 e, mesmo atualmente, enfocam várias das mesmas questões científicas. No início da década de 1960, essas áreas levaram a um maior entendimento sobre a síntese de DNA, RNA e proteínas. A biologia molecular surgiu, em grande parte, a partir dos estu-dos da genética bacteriana (Figura 1.20).

A virologia, o estudo dos vírus, também floresceu no sécu-lo XX. Embora Beijerinck tenha descoberto o primeiro vírus há mais de 100 anos, somente a partir da metade do século XX, a verdadeira natureza dos vírus tornou-se, de fato, co-nhecida. Muitos dos trabalhos relevantes envolviam o estudo de vírus que infectam bactérias, denominados bacteriófagos. Os cientistas perceberam que a infecção viral correspondia a um tipo de transferência de genes e a relação entre vírus e cé-lulas foi compreendida principalmente a partir das pesquisas com bacteriófagos. Atualmente, os vírus de animais e plantas desempenham um papel central na virologia em decorrência da sempre crescente lista de vírus patogênicos e do reconhe-cimento de que a diversidade genética dentre esses vírus é enorme.

A era da microbiologia molecularNa década de 1970, nosso conhecimento sobre a fisiologia, bioquímica e genética bacterianas avançou de tal forma que possibilitou a manipulação de genomas celulares. O DNA de um organismo podia ser “transplantado” em uma bactéria, permitindo a coleta das proteínas codificadas pelo DNA. Isso levou ao desenvolvimento da biotecnologia. Nesse mesmo período, foram desenvolvidas as técnicas de sequenciamen-to de ácidos nucleicos, e as ramificações dessa nova tecno-logia tiveram reflexo em todas as áreas da biologia. Na mi-crobiologia, o sequenciamento de DNA revelou as relações filogenéticas (evolutivas) entre as bactérias, levando a novos conceitos revolucionários na sistemática microbiana. O se-quenciamento do DNA também originou, em meados da dé-cada de 1990, a área da genômica. A enorme quantidade de informação genômica disponível atualmente impulsionou importantes avanços na medicina, agricultura, biotecnologia e em várias outras áreas. A própria área da genômica, de rá-pido desenvolvimento, originou novas subdisciplinas, como a proteômica e metabolômica, os padrões da expressão pro-teica e metabólica nas células, respectivamente. Os conceitos

Alguns marcos iniciais

van Leeuwenhoek, 1687(primeiras bactérias)

Primeiro projetode metagenômicaem larga escala(Craig Venter)

Primeirasequênciagenômica(Craig Ventere Hamilton Smith)

Descoberta deArchaeamarinhas(Jed Fuhrmane Ed Delong)

Amostrascomunidade degenes de RNAribossomalrevelam a enormediversidade de bactérias nanatureza(Norman Pace)

Corantesfilogenéticos(NormanPace)

1986 1987 1992

Ano

1995 20042010

Era dagenômica,proteômica, etranscriptômicaambiental

Watson/Crick,1953(estrutura do DNA)

Koch, 1886(postulados de Koch)

Pasteur, 1861(geração espontânea)

Figura 1.20 Alguns marcos da microbiologia molecular a partir de 1985. Os ícones representam as descobertas. Não foi possível listar todos os que contribuíram para uma descoberta específica.



de genômica, proteômica e metabolômica são desenvolvidos mais detalhadamente no Capítulo 13.

Novas fronteirasOs 325 anos da microbiologia, desde a época de van Leeu-wenhoek, não somente trouxeram visões surpreendentes so-bre a biologia dos micro-organismos, como também novos desafios, tanto positivos quanto negativos. Por um lado, no-vas doenças emergentes, como SARS (síndrome respiratória severa aguda) e a gripe aviária, surgem sem qualquer aviso e desafiam até mesmo nossos sofisticados conhecimentos sobre as doenças microbianas. Por outro lado, novos impul-sos na microbiologia, como a genômica, propiciaram uma compreensão sem precedentes sobre como uma célula atua em nível fundamental. Atualmente, a pesquisa microbiana encontra-se próxima de definir o genoma minimalista – o menor grupo de genes necessários a uma célula viva. Quando tal mapa genético estiver disponível, os cientistas deverão ser capazes de definir precisamente, pelo menos em termos bio-

químicos, todos os pré-requisitos para a vida. Quando esse dia chegar, estará longe a criação de uma célula viva em la-boratório?

Conforme citado pelo biólogo evolutivo Stephen Jay Gould, estamos vivendo a “era das bactérias”. Que período excitante para estar aprendendo a ciência da microbiologia! Fique atento. Muito mais está por vir!


A partir da segunda metade do século XX, a microbiologia básica e aplicada atuaram lado a lado, conduzindo-nos à atual era da microbiologia molecular.

Liste as subdisciplinas da microbiologia que enfocam os ❚

seguintes temas: metabolismo, enzimologia, síntese de ácidos nucleicos e proteínas, micro-organismos e seus ambientes naturais, classificação microbiana e estrutura da célula microbiana.

Tabela 1.1 Trezentos anos de microbiologia: Alguns artigos-chave em microbiologia, 1684-2000a

Ano Investigador(es) Descoberta

1684 Antoni van Leeuwenhoek Bactérias1798 Edward Jenner Vacina contra a varíola1857 Louis Pasteur Microbiologia da fermentação do ácido lático1860 Louis Pasteur Papel das leveduras na fermentação alcoólica1864 Louis Pasteur Fim da teoria da geração espontânea1867 Robert Lister Princípios de antissepsia nas cirurgias1876 Ferdinand Cohn Endósporos1881 Robert Koch Métodos para o estudo de bactérias em cultura pura1882 Robert Koch* Causa da tuberculose1882 Élie Metchnikoff* Fagocitose1884 Robert Koch Causa da cólera; primeira formulação dos postulados de Koch1884 Christian Gram Método de coloração de Gram1885 Louis Pasteur Vacina contra a raiva1889 Sergei Winogradsky Quimiolitotrofia1889 Martinus Beijerinck Conceito de vírus1890 Emil von Behring* e Shibasaburo Kitasato Antitoxina diftérica1890 Sergei Winogradsky Autotrofia em quimiolitotróficos1901 Martinus Beijerinck Método da cultura de enriquecimento1901 Karl Landsteiner* Grupos sanguíneos humanos1908 Paul Ehrlich* Agentes quimioterápicos1911 Francis Rous* Primeiro vírus oncogênico1915/1917 Frederick Twort e Felix d’Hérelle Vírus de bactérias (bacteriófagos)1928 Frederick Griffith Transformação de pneumococos1929 Alexander Fleming* Penicilina1931 Cornelius van Niel H2S (sulfeto) como doador de elétrons na fotossíntese1935 Gerhard Domagk* Sulfas1935 Wendall Stanley Cristalização do vírus do mosaico do tabaco1941 George Beadle* e Edward Tatum* Hipótese de um gene–uma proteína1943 Max Delbruck* e Salvador Luria* Hereditariedade das características genéticas em bactérias1944 Oswald Avery, Colin Macleod, Maclyn McCarty DNA é o material genético



UN

IDA

DE

1

Tabela 1.1 (continuação)

Ano Investigador(es) Descoberta

1944 Selman Waksman* e Albert Schatz Estreptomicina1946 Edward Tatum e Joshua Lederberg* Conjugação bacteriana1951 Barbara McClintock Elementos transponíveis1952 Joshua Lederberg e Norton Zinder Transdução bacteriana1953 James Watson,* Francis Crick,* Rosalind Franklin,

Maurice Wilkins*Estrutura do DNA

1959 Artur Pardee, François Jacob,* Jacques Monod,* Andre Lwoff*

Regulação gênica por proteínas repressoras

1959 Rodney Porter* Estrutura das imunoglobulinas1959 F. Macfarlane Burnet Teoria da seleção clonal1960 François Jacob, David Perrin, Carmon Sanchez, Jac-

ques MonodConceito de operon

1960 Rosalyn Yalow* e Solomon Bernson Radioimunoensaio (RIA)1961 Sydney Brenner,* François Jacob* Matthew Meselson RNA mensageiro e ribossomos como sítios da síntese proteica1966 Marshall Nirenberg* e H. Gobind Khorana* Código genético1967 Thomas Brock Bactérias crescendo em fontes termais ferventes1969 Howard Temin,* David Baltimore*, Renato Dulbecco* Retrovírus/transcriptase reversa1969 Thomas Brock e Hudson Freeze Thermus aquaticus, fonte de Taq DNA-polimerase1970 Hamilton Smith* e David Nathans* Enzimas de restrição1973 Stanley Cohen, Annie Chang, Robert Helling, Herbert

Boyer e Paul Berg*Tecnologia do DNA recombinante

1975 Georges Kohler*, Cesar Milstein* Anticorpos monoclonais1976 Susumu Tonegawa* Rearranjo dos genes de imunoglobulinas1977 Carl Woese** e George Fox Archaea1977 Fred Sanger*, Steven Niklen, Alan Coulson Métodos de sequenciamento de DNA1981 Stanley Prusiner* Príons1982 Karl Stetter Primeiras culturas de hipertermófilos1982 Barry Marshall* e Robin Warren* Causa de úlceras pépticas: Helicobacter pylori1983 Luc Montagnier Vírus da imunodeficiência humana1985 Kary Mullis* Reação de polimerização em cadeia (PCR)

ªAs principais fontes de referência incluem Brock, T.D. (1961), Milestones in Microbiology, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ; Brock, T.D. (1990), The Emer-gence of Bacterial Genetics, Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY. O ano refere-se ao ano em que a descoberta foi publicada.* Agraciados com o Prêmio Nobel. Os primeiros Prêmios Nobel foram concedidos em 1901, e Robert Koch recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Me-dicina em 1905.** Vencedor do Prêmio Crafoord em Biociências, 2003.

Revisão dos termos essenciais

Célula unidade fundamental da matéria viva

Citoplasma porção fluida de uma célula, limitada pela membrana celular

Cultura pura cultura contendo um único tipo de micro-organismo

DNA ácido desoxirribonucleico, o material genético das células e de alguns vírus

Ecologia microbiana estudo dos organis-mos em seus ambientes naturais

Ecossistema associação entre os organis-mos e seu meio ambiente abiótico

Enzima catalisador proteico (ou, em al-guns casos, RNA) que atua aumentando a velocidade das reações químicas

Estéril ausência de todos os organismos vivos e vírus

Genoma o conjunto completo dos genes de um organismo

Genômica identificação e análise de ge-nomas

Geração espontânea hipótese de que os organismos vivos poderiam ser origina-dos a partir de matéria inanimada

Hábitat ambiente onde uma população mi-crobiana é encontrada

Macromoléculas as proteínas, os ácidos nucleicos, os lipídeos e os polissacarídeos presentes em uma célula

Membrana citoplasmática barreira semi-permeável que separa o interior da célula (citoplasma) do meio ambiente

Metabolismo todas as reações bioquímicas que ocorrem em uma célula

Micro-organismo organismo microscópi-co, consistindo em uma única célula, ou conjunto de células, incluindo os vírus

Patógeno micro-organismo causador de doença

Postulados de Koch conjunto de crité-rios para provar que um determinado micro-organismo causa uma determinada doença



Questões complementares

Quimiolitotrofia forma de metabolismo na qual os compostos inorgânicos são utili-zados na geração de energia

Ribossomos estruturas compostas por RNAs e proteínas, nos quais novas proteí-nas são sintetizadas

RNA ácido ribonucleico, envolvido na síntese proteica, na forma de RNA men-sageiro, RNA de transferência e RNA ribossomal

Técnica de cultura de enriquecimento método de isolamento de micro-organis-

mos específicos a partir da natureza, uti-lizando-se meios de cultura e condições de incubação específicos

Questões de revisão

1. Liste seis propriedades essenciais associadas ao estado vivo. Quais destas são propriedades comuns a todas as células? Quais correspondem a propriedades de apenas alguns tipos de células (Seções 1.1 e 1.2)?

2. As células podem ser consideradas tanto usinas químicas quanto dispositivos codificadores. Explique como esses dois atributos celulares podem ser diferenciados (Seção 1.2).

3. O que é necessário para que a célula realize o processo de tradução? Qual produto é originado a partir do processo de tradução (Seção 1.2)?

4. O que é um ecossistema? Em um ecossistema, os micro-or-ganismos são encontrados em culturas puras? Que efeitos os micro-organismos podem exercer em seus ecossistemas (Seção 1.3)?

5. Por que o surgimento das cianobactérias alterou definitiva-mente as condições na Terra (Seção 1.4)?

6. Como você poderia convencer um amigo de que os micro--organismos são muito mais que meros agentes causadores de doenças (Seção 1.5)?

7. Por quais contribuições Hooke e van Leeuwenhoek são lem-brados na microbiologia? Como Ferdinand Cohn contribuiu para a bacteriologia (Seção 1.6)?

8. Explique o princípio associado ao uso do frasco de Pasteur nos estudos sobre a geração espontânea (Seção 1.7).

9. O que se entende por uma cultura pura e como esta pode ser obtida? Por que o conhecimento de como obter uma cultura pura foi importante para o desenvolvimento da ciência da microbiologia (Seção 1.8)?

10. O que são os postulados de Koch e como eles influenciaram o desenvolvimento da microbiologia? Por que eles ainda são relevantes atualmente (Seção 1.8)?

11. Descreva uma importante contribuição do microbiologista pioneiro Martinus Beijerinck à microbiologia (Seção 1.9).

12. Que conceitos importantes da microbiologia devemos a Ser-gei Winogradsky (Seção 1.9)?

13. Quais avanços importantes ocorreram da microbiologia nos últimos 60 anos (Seção 1.10)?

1. Os experimentos de Pasteur envolvendo a geração espontâ-nea foram de enorme importância para o avanço da micro-biologia, contribuindo para a metodologia da microbiologia, nas ideias sobre a origem da vida e nas técnicas de preser-vação de alimentos, apenas para citar alguns exemplos. Ex-plique, resumidamente, como os experimentos de Pasteur afetaram cada um desses tópicos.

2. Descreva as várias linhas de evidências que Robert Koch utilizou para associar definitivamente a bactéria Mycobac-terium tuberculosis à tuberculose. Como sua prova poderia ter falhado, se qualquer uma das ferramentas por ele desen-

volvidas para o estudo das doenças bacterianas não estivesse disponível para seu estudo da tuberculose?

3. Imagine que, por alguma ação, todos os micro-organismos desaparecessem subitamente da Terra. Baseado no que você aprendeu neste capítulo, por que você suporia que todos os animais acabariam desaparecendo da Terra? Por que as plantas desapareceriam? Se, ao contrário, todos os organis-mos superiores desaparecessem subitamente, qual aspecto da Figura 1.6 sugere que um destino similar não ocorreria aos micro-organismos?


microbiologia de brock - 12.ed. cap_01

Documents