13.1: Diversidade procariótica
- Page ID
- 179277
Os procariontes estão presentes em todos os lugares. Eles cobrem todas as superfícies imagináveis onde há umidade suficiente e vivem dentro e dentro de outros seres vivos. Há mais procariontes dentro e fora do corpo humano do que células humanas no corpo. Alguns procariontes prosperam em ambientes inóspitos para a maioria dos outros seres vivos. Os procariontes reciclam nutrientes — substâncias essenciais (como carbono e nitrogênio) — e impulsionam a evolução de novos ecossistemas, alguns dos quais são naturais, enquanto outros são produzidos pelo homem. Os procariontes estão na Terra muito antes do aparecimento da vida multicelular.
Diversidade procariótica
O advento do sequenciamento de DNA proporcionou uma visão imensa das relações e origens dos procariontes que não eram possíveis usando os métodos tradicionais de classificação. Uma visão importante identificou dois grupos de procariontes que foram considerados tão diferentes um do outro quanto dos eucariotos. Esse reconhecimento da diversidade procariótica forçou uma nova compreensão da classificação de toda a vida e nos aproximou da compreensão das relações fundamentais de todos os seres vivos, incluindo nós mesmos.
Vida precoce na Terra
Quando e onde a vida começou? Quais eram as condições na Terra quando a vida começou? Os procariontes foram as primeiras formas de vida na Terra e existiram por bilhões de anos antes do aparecimento de plantas e animais. A Terra tem cerca de 4,54 bilhões de anos. Esta estimativa é baseada em evidências da datação de material meteorito, uma vez que as rochas superficiais da Terra não são tão antigas quanto a própria Terra. A maioria das rochas disponíveis na Terra passou por mudanças geológicas que as tornam mais jovens do que a própria Terra. Alguns meteoritos são feitos do material original do disco solar que formou os objetos do sistema solar e não foram alterados pelos processos que alteraram as rochas na Terra. Assim, a idade dos meteoritos é um bom indicador da idade da formação da Terra. A estimativa original de 4,54 bilhões de anos foi obtida por Clare Patterson em 1956. Desde então, seu trabalho meticuloso foi corroborado por idades determinadas por outras fontes, todas apontando para uma idade da Terra de cerca de 4,54 bilhões de anos.
A Terra primitiva tinha uma atmosfera muito diferente da atual. As evidências indicam que durante os primeiros 2 bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera era anóxica, o que significa que não havia oxigênio. Portanto, somente os organismos que podem crescer sem oxigênio — anaerobicorganismos — foram capazes de viver. Organismos que convertem energia solar em energia química são chamados de fototróficos. Organismos fototróficos que precisavam de uma fonte orgânica de carbono surgiram dentro de um bilhão de anos após a formação da Terra. Então, as cianobactérias, também conhecidas como algas verde-azuladas, evoluíram desses fototróficos simples um bilhão de anos depois. As cianobactérias são capazes de usar dióxido de carbono como fonte de carbono. As cianobactérias (Figura\(\PageIndex{1}\)) iniciaram a oxigenação da atmosfera. O aumento na concentração de oxigênio permitiu a evolução de outras formas de vida.
Antes de a atmosfera ser oxigenada, o planeta foi submetido a uma forte radiação; assim, os primeiros organismos teriam florescido onde estavam mais protegidos, como nas profundezas do oceano ou abaixo da superfície da Terra. Nessa época, também era comum uma forte atividade vulcânica na Terra, então é provável que esses primeiros organismos - os primeiros procariontes - tenham sido adaptados a temperaturas muito altas. Esses não são os ambientes temperados típicos nos quais a maior parte da vida floresce hoje; portanto, podemos concluir que os primeiros organismos que apareceram na Terra provavelmente foram capazes de resistir a condições adversas.
Os tapetes microbianos podem representar as primeiras formas de vida na Terra, e há evidências fósseis de sua presença, começando há cerca de 3,5 bilhões de anos. Um tapete microbiano é um grande biofilme, uma folha de procariontes de várias camadas (Figura\(\PageIndex{2}\) a), incluindo principalmente bactérias, mas também arquéias. Os tapetes microbianos têm alguns centímetros de espessura e geralmente crescem em superfícies úmidas. Seus vários tipos de procariontes realizam diferentes vias metabólicas e, por esse motivo, refletem várias cores. Os procariontes em um tapete microbiano são mantidos juntos por uma substância parecida com goma que eles secretam.
Os primeiros tapetes microbianos provavelmente obtiveram sua energia de fontes hidrotermais. Uma fonte hidrotermal é uma fissura na superfície da Terra que libera água aquecida geotermicamente. Com a evolução da fotossíntese há cerca de 3 bilhões de anos, alguns procariontes em esteiras microbianas passaram a usar uma fonte de energia mais amplamente disponível - a luz solar - enquanto outros ainda dependiam de produtos químicos das fontes hidrotermais para alimentação.
Os tapetes microbianos fossilizados representam o registro mais antigo de vida na Terra. Um estromatólito é uma estrutura sedimentar formada quando minerais são precipitados da água por procariontes em uma esteira microbiana (Figura\(\PageIndex{2}\) b). Os estromatólitos formam rochas em camadas feitas de carbonato ou silicato. Embora a maioria dos estromatólitos sejam artefatos do passado, existem lugares na Terra onde os estromatólitos ainda estão se formando. Por exemplo, estromatólitos vivos foram encontrados no Parque Estadual do Deserto de Anza-Borrego, no Condado de San Diego, Califórnia.
Alguns procariontes são capazes de prosperar e crescer em condições que matariam uma planta ou animal. Bactérias e arquéias que crescem em condições extremas são chamadas de extremófilos, significando “amantes dos extremos”. Extremófilos foram encontrados em ambientes extremos de todos os tipos, incluindo as profundezas dos oceanos, fontes termais, o Ártico e a Antártica, lugares muito secos, nas profundezas da Terra, ambientes químicos severos e ambientes de alta radiação. Os extremófilos nos dão uma melhor compreensão da diversidade procariótica e abrem a possibilidade da descoberta de novos medicamentos terapêuticos ou aplicações industriais. Eles também abriram a possibilidade de encontrar vida em outros lugares do sistema solar, que têm ambientes mais severos do que os normalmente encontrados na Terra. Muitos desses extremófilos não sobrevivem em ambientes moderados.
Biofilmes
Até algumas décadas atrás, os microbiologistas pensavam nos procariontes como entidades isoladas que viviam separadas. Esse modelo, no entanto, não reflete a verdadeira ecologia dos procariontes, a maioria dos quais prefere viver em comunidades onde possam interagir. Um biofilme é uma comunidade microbiana mantida unida em uma matriz com textura gomosa, consistindo principalmente de polissacarídeos secretados pelos organismos, junto com algumas proteínas e ácidos nucléicos. Os biofilmes crescem presos às superfícies. Alguns dos biofilmes mais bem estudados são compostos por procariontes, embora biofilmes fúngicos também tenham sido descritos.
Os biofilmes estão presentes em quase todos os lugares. Eles causam o entupimento dos canos e colonizam facilmente as superfícies em ambientes industriais. Eles desempenharam papéis em surtos recentes e em grande escala de contaminação bacteriana de alimentos. Os biofilmes também colonizam superfícies domésticas, como balcões de cozinha, tábuas de corte, pias e banheiros.
As interações entre os organismos que povoam um biofilme, juntamente com seu ambiente protetor, tornam essas comunidades mais robustas do que os procariontes de vida livre ou planctônicos. No geral, os biofilmes são muito difíceis de destruir, pois são resistentes a muitas das formas comuns de esterilização.
Características dos procariontes
Existem muitas diferenças entre as células procarióticas e eucarióticas. No entanto, todas as células têm quatro estruturas comuns: uma membrana plasmática que funciona como uma barreira para a célula e separa a célula de seu ambiente; citoplasma, uma substância gelatinosa dentro da célula; material genético (DNA e RNA); e ribossomos, onde ocorre a síntese de proteínas. Os procariontes têm várias formas, mas muitos se enquadram em três categorias: cocos (esféricos), bacilos (em forma de bastonete) e espirila (em forma de espiral) (Figura\(\PageIndex{3}\)).
A célula procariótica
Lembre-se de que os procariontes (Figura\(\PageIndex{4}\)) são organismos unicelulares que não possuem organelas cercadas por membranas. Portanto, eles não têm um núcleo, mas sim um único cromossomo - um pedaço de DNA circular localizado em uma área da célula chamada nucleóide. A maioria dos procariontes tem uma parede celular fora da membrana plasmática. A composição da parede celular difere significativamente entre os domínios Bactérias e Archaea (e suas paredes celulares também diferem das paredes celulares eucarióticas encontradas em plantas e fungos). A parede celular funciona como uma camada protetora e é responsável pela forma do organismo. Algumas outras estruturas estão presentes em algumas espécies procarióticas, mas não em outras. Por exemplo, a cápsula encontrada em algumas espécies permite que o organismo se fixe nas superfícies e o protege da desidratação. Algumas espécies também podem ter flagelos (singulares, flagelos) usados para locomoção e pili (singular, pilus) usados para fixação em superfícies e outras bactérias para conjugação. Os plasmídeos, que consistem em pequenos pedaços circulares de DNA fora do cromossomo principal, também estão presentes em muitas espécies de bactérias.
Tanto as bactérias quanto as arqueias são tipos de células procarióticas. Eles diferem na composição lipídica de suas membranas celulares e nas características de suas paredes celulares. Ambos os tipos de procariontes têm as mesmas estruturas básicas, mas são construídos a partir de diferentes componentes químicos que são evidências de uma antiga separação de suas linhagens. A membrana plasmática arqueal é quimicamente diferente da membrana bacteriana; algumas membranas arqueais são monocamadas lipídicas em vez de bicamadas de fosfolipídios.
A parede celular
A parede celular é uma camada protetora que envolve algumas células procarióticas e lhes confere forma e rigidez. Ele está localizado fora da membrana celular e evita a lise osmótica (ruptura causada pelo aumento do volume). As composições químicas das paredes celulares variam entre Archaea e Bactérias, bem como entre espécies bacterianas. As paredes celulares bacterianas contêm peptidoglicano, composto por cadeias polissacarídicas reticuladas a peptídeos. As bactérias são divididas em dois grupos principais: Gram-positivas e Gram-negativas, com base em sua reação a um procedimento chamado coloração de Gram. As diferentes respostas bacterianas ao procedimento de coloração são causadas pela estrutura da parede celular. Os organismos gram-positivos têm uma parede espessa que consiste em muitas camadas de peptidoglicano. As bactérias gram-negativas têm uma parede celular mais fina composta por algumas camadas de peptidoglicano e estruturas adicionais, cercada por uma membrana externa (Figura\(\PageIndex{5}\)).
CONEXÃO ARTÍSTICA
Qual das seguintes afirmações é verdadeira?
- As bactérias Gram-positivas têm uma única parede celular formada a partir do peptidoglicano.
- As bactérias gram-positivas têm uma membrana externa.
- A parede celular das bactérias Gram-negativas é espessa e a parede celular das bactérias Gram-positivas é fina.
- As bactérias Gram-negativas têm uma parede celular feita de peptidoglicano, enquanto as bactérias Gram-positivas têm uma parede celular feita de fosfolipídios.
As paredes celulares arqueais não contêm peptidoglicano. Existem quatro tipos diferentes de paredes celulares arqueais. Um tipo é composto por pseudopeptidoglicano. Os outros três tipos de paredes celulares contêm polissacarídeos, glicoproteínas e proteínas da camada superficial conhecidas como camadas S.
Reprodução
A reprodução em procariontes é principalmente assexuada e ocorre por fissão binária. Lembre-se de que o DNA de um procarioto geralmente existe como um único cromossomo circular. Os procariontes não sofrem mitose. Em vez disso, a alça cromossômica é replicada e as duas cópias resultantes conectadas à membrana plasmática se separam à medida que a célula cresce em um processo chamado fissão binária. O procarioto, agora ampliado, é comprimido para dentro em seu equador, e as duas células resultantes, que são clones, se separam. A fissão binária não oferece uma oportunidade para a recombinação genética, mas os procariontes podem alterar sua composição genética de três maneiras.
Em um processo chamado transformação, a célula absorve o DNA encontrado em seu ambiente que é eliminado por outros procariontes, vivos ou mortos. Um patógeno é um organismo que causa uma doença. Se uma bactéria não patogênica absorve o DNA de um patógeno e incorpora o novo DNA em seu próprio cromossomo, ela também pode se tornar patogênica. Na transdução, os bacteriófagos, os vírus que infectam as bactérias, movem o DNA de uma bactéria para outra. As arquéias têm um conjunto diferente de vírus que as infectam e translocam o material genético de um indivíduo para outro. Durante a conjugação, o DNA é transferido de um procarioto para outro por meio de um pilus que coloca os organismos em contato uns com os outros. O DNA transferido geralmente é um plasmídeo, mas partes do cromossomo também podem ser movidas.
Os ciclos de fissão binária podem ser muito rápidos, na ordem de minutos para algumas espécies. Esse curto tempo de geração, juntamente com mecanismos de recombinação genética, resulta na rápida evolução dos procariontes, permitindo que eles respondam às mudanças ambientais (como a introdução de um antibiótico) muito rapidamente.
Como os procariontes obtêm energia e carbono
Os procariontes são organismos metabolicamente diversos. Os procariontes preenchem muitos nichos na Terra, incluindo o envolvimento em ciclos de nutrientes, como os ciclos de nitrogênio e carbono, decompondo organismos mortos e crescendo e se multiplicando dentro de organismos vivos, incluindo humanos. Procariontes diferentes podem usar diferentes fontes de energia para montar macromoléculas a partir de moléculas menores. Os fototróficos obtêm sua energia da luz solar. Os quimiotróficos obtêm sua energia a partir de compostos químicos.
Doenças bacterianas em humanos
Doenças e pragas devastadoras transmitidas por patógenos, tanto virais quanto bacterianas por natureza, afetaram e continuam afetando os humanos. É importante notar que todos os procariontes patogênicos são bactérias; não há Arqueias patogênicas conhecidas em humanos ou em qualquer outro organismo. Organismos patogênicos evoluíram junto com os humanos. No passado, a verdadeira causa dessas doenças não era compreendida e algumas culturas achavam que as doenças eram uma punição espiritual ou estavam equivocadas com causas materiais. Com o tempo, as pessoas perceberam que ficar longe das pessoas afetadas, melhorar o saneamento e descartar adequadamente os cadáveres e pertences pessoais das vítimas de doenças reduziram suas próprias chances de adoecer.
Perspectiva histórica
Há registros de doenças infecciosas desde 3.000 a.C. Várias pandemias significativas causadas por bactérias foram documentadas ao longo de várias centenas de anos. Algumas das maiores pandemias levaram ao declínio de cidades e culturas. Muitas foram zoonoses que surgiram com a domesticação de animais, como no caso da tuberculose. A zoonose é uma doença que infecta animais, mas pode ser transmitida de animais para humanos.
As doenças infecciosas permanecem entre as principais causas de morte em todo o mundo. Seu impacto é menos significativo em muitos países desenvolvidos, mas eles são determinantes importantes da mortalidade nos países em desenvolvimento. O desenvolvimento de antibióticos contribuiu muito para diminuir as taxas de mortalidade por infecções bacterianas, mas o acesso a antibióticos não é universal e o uso excessivo de antibióticos levou ao desenvolvimento de cepas resistentes de bactérias. Os esforços públicos de saneamento que descartam o esgoto e fornecem água potável têm feito tanto ou mais do que avanços médicos para evitar mortes causadas por infecções bacterianas.
Em 430 a.C., a peste de Atenas matou um quarto das tropas atenienses que estavam lutando na Grande Guerra do Peloponeso. A doença matou um quarto da população de Atenas em mais de 4 anos e enfraqueceu o domínio e o poder de Atenas. A origem da peste pode ter sido identificada recentemente, quando pesquisadores da Universidade de Atenas conseguiram analisar o DNA de dentes recuperados de uma vala comum. Os cientistas identificaram sequências de nucleotídeos de uma bactéria patogênica que causa a febre tifóide. 1
De 541 a 750 d.C., um surto chamado peste de Justiniano (provavelmente uma peste bubônica) eliminou, segundo algumas estimativas, de um quarto a metade da população humana. A população na Europa diminuiu 50 por cento durante esse surto. A peste bubônica dizimaria a Europa mais de uma vez.
Uma das pandemias mais devastadoras foi a Peste Negra (1346 a 1361), que se acredita ter sido outro surto de peste bubônica causado pela bactéria Yersinia pestis. Esta bactéria é transportada por pulgas que vivem em ratos pretos. A Peste Negra reduziu a população mundial de cerca de 450 milhões para cerca de 350 a 375 milhões. A peste bubônica atingiu Londres com força novamente em meados de 1600. Ainda existem aproximadamente 1.000 a 3.000 casos de peste em todo o mundo a cada ano. Embora contrair a peste bubônica antes dos antibióticos significasse morte quase certa, a bactéria responde a vários tipos de antibióticos modernos, e as taxas de mortalidade por peste agora são muito baixas.
CONCEITO EM AÇÃO
Assista a um vídeo sobre a compreensão moderna da Peste Negra (peste bubônica) na Europa durante o século XIV.
Ao longo dos séculos, os europeus desenvolveram resistência a muitas doenças infecciosas. No entanto, os conquistadores europeus trouxeram bactérias e vírus causadores de doenças quando chegaram ao hemisfério ocidental, desencadeando epidemias que devastaram completamente as populações de nativos americanos (que não tinham resistência natural a muitas doenças europeias).
A crise dos antibióticos
A palavra antibiótico vem do grego anti, que significa “contra”, e bios, que significa “vida”. Um antibiótico é uma substância química produzida pelo organismo que é hostil ao crescimento de outros organismos. As notícias e a mídia de hoje geralmente abordam as preocupações sobre uma crise de antibióticos. Os antibióticos usados para tratar infecções bacterianas são facilmente tratáveis no passado se tornando obsoletos? Existem novas “superbactérias” — bactérias que evoluíram para se tornarem mais resistentes ao nosso arsenal de antibióticos? Esse é o começo do fim dos antibióticos? Todas essas questões desafiam a comunidade de saúde.
Uma das principais razões para bactérias resistentes é o uso excessivo e incorreto de antibióticos, como a não conclusão de um ciclo completo de antibióticos prescritos. O uso incorreto de um antibiótico resulta na seleção natural de formas resistentes de bactérias. O antibiótico mata a maioria das bactérias infectantes e, portanto, apenas as formas resistentes permanecem. Essas formas resistentes se reproduzem, resultando em um aumento na proporção de formas resistentes em relação às não resistentes.
Outro problema é o uso excessivo de antibióticos na pecuária. O uso rotineiro de antibióticos na alimentação animal também promove resistência bacteriana. Nos Estados Unidos, 70 por cento dos antibióticos produzidos são fornecidos aos animais. Os antibióticos não são usados para prevenir doenças, mas para aumentar a produção de seus produtos.
O Staphylococcus aureus, frequentemente chamado de “estafilococo”, é uma bactéria comum que pode viver dentro e sobre o corpo humano, que geralmente é facilmente tratável com antibióticos. Uma cepa muito perigosa, no entanto, foi notícia nos últimos anos (Figura\(\PageIndex{6}\)). Essa cepa, Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), é resistente a muitos antibióticos comumente usados, incluindo meticilina, amoxicilina, penicilina e oxacilina. Embora as infecções por MRSA tenham sido comuns entre pessoas em unidades de saúde, elas estão aparecendo mais comumente em pessoas saudáveis que vivem ou trabalham em grupos densos (como militares e prisioneiros). O Journal of the American Medical Association informou que, entre as pessoas afetadas pelo MRSA em unidades de saúde, a idade média é de 68 anos, enquanto as pessoas com “MRSA associado à comunidade” (CA-MRSA) têm uma idade média de 23 anos. 2
Em resumo, a sociedade está enfrentando uma crise de antibióticos. Alguns cientistas acreditam que depois de anos sendo protegidos de infecções bacterianas por antibióticos, podemos estar voltando a uma época em que uma simples infecção bacteriana poderia devastar novamente a população humana. Os pesquisadores estão trabalhando no desenvolvimento de novos antibióticos, mas poucos estão no desenvolvimento de medicamentos e são necessários muitos anos para gerar um medicamento eficaz e aprovado.
Doenças transmitidas por alimentos
Os procariontes estão por toda parte: eles colonizam prontamente a superfície de qualquer tipo de material, e a comida não é uma exceção. Surtos de infecção bacteriana relacionados ao consumo de alimentos são comuns. Uma doença transmitida por alimentos (coloquialmente chamada de “intoxicação alimentar”) é uma doença resultante do consumo de alimentos contaminados com bactérias patogênicas, vírus ou outros parasitas. Embora os Estados Unidos tenham um dos suprimentos alimentares mais seguros do mundo, o Centro de Controle e Prevenção de Doenças (CDC) relatou que “76 milhões de pessoas adoecem, mais de 300.000 são hospitalizadas e 5.000 americanos morrem a cada ano de doenças transmitidas por alimentos”. 3
As características das doenças transmitidas por alimentos mudaram ao longo do tempo. No passado, era relativamente comum ouvir falar de casos esporádicos de botulismo, a doença potencialmente fatal produzida por uma toxina da bactéria anaeróbica Clostridium botulinum. Uma lata, jarra ou embalagem criou um ambiente anaeróbico adequado onde o Clostridium poderia crescer. Procedimentos adequados de esterilização e enlatamento reduziram a incidência dessa doença.
A maioria dos casos de doenças transmitidas por alimentos está agora ligada a produtos contaminados por dejetos animais. Por exemplo, houve surtos graves relacionados à produção associados ao espinafre cru nos Estados Unidos e a brotos de vegetais na Alemanha (Figura\(\PageIndex{7}\)). O surto de espinafre cru em 2006 foi produzido pela bactéria E. coli da cepa O157:H7. A maioria das cepas de E. coli não é particularmente perigosa para os humanos (na verdade, elas vivem em nosso intestino grosso), mas O157:H7 é potencialmente fatal.
Todos os tipos de alimentos podem estar potencialmente contaminados com bactérias nocivas de diferentes espécies. Surtos recentes de Salmonella relatados pelo CDC ocorreram em alimentos tão diversos quanto manteiga de amendoim, brotos de alfafa e ovos.
CARREIRAS EM AÇÃO: Epidemiologista
Epidemiologia é o estudo da ocorrência, distribuição e determinantes da saúde e da doença em uma população. Está, portanto, relacionado à saúde pública. Um epidemiologista estuda a frequência e distribuição de doenças nas populações e ambientes humanos.
Os epidemiologistas coletam dados sobre uma doença específica e rastreiam sua disseminação para identificar o modo original de transmissão. Às vezes, eles trabalham em estreita colaboração com historiadores para tentar entender como uma doença evoluiu geograficamente e ao longo do tempo, rastreando a história natural dos patógenos. Eles coletam informações de registros clínicos, entrevistas com pacientes e qualquer outro meio disponível. Essas informações são usadas para desenvolver estratégias e elaborar políticas de saúde pública para reduzir a incidência de uma doença ou impedir sua propagação. Os epidemiologistas também conduzem investigações rápidas em caso de surto para recomendar medidas imediatas para controlá-lo.
Os epidemiologistas geralmente têm uma educação de nível superior. Um epidemiologista geralmente tem um diploma de bacharel em algum campo e um mestrado em saúde pública (MPH). Muitos epidemiologistas também são médicos (e têm um médico) ou têm um PhD em uma área associada, como biologia ou epidemiologia.
Procariontes benéficos
Nem todos os procariontes são patogênicos. Pelo contrário, os patógenos representam apenas uma porcentagem muito pequena da diversidade do mundo microbiano. Na verdade, nossa vida e toda a vida neste planeta não seriam possíveis sem os procariontes.
Procariontes e alimentos e bebidas
De acordo com a Convenção das Nações Unidas sobre Diversidade Biológica, biotecnologia é “qualquer aplicação tecnológica que usa sistemas biológicos, organismos vivos ou derivados deles, para fazer ou modificar produtos ou processos para uso específico”. 4 O conceito de “uso específico” envolve algum tipo de aplicação comercial. Engenharia genética, seleção artificial, produção de antibióticos e cultura celular são tópicos atuais de estudo em biotecnologia. No entanto, os humanos usaram procariontes para criar produtos antes mesmo de o termo biotecnologia ser cunhado. E alguns dos produtos e serviços são tão simples quanto queijo, iogurte, creme de leite, vinagre, linguiça curada, chucrute e frutos do mar fermentados que contêm bactérias e arquéias (Figura\(\PageIndex{8}\)).
A produção de queijo começou há cerca de 4.000 anos, quando os humanos começaram a criar animais e processar seu leite. As evidências sugerem que produtos lácteos cultivados, como iogurte, existem há pelo menos 4.000 anos.
Usando procariontes para limpar nosso planeta: biorremediação
A biorremediação microbiana é o uso de procariontes (ou metabolismo microbiano) para remover poluentes. A biorremediação tem sido usada para remover produtos químicos agrícolas (pesticidas e fertilizantes) que lixiviam do solo para as águas subterrâneas. Certos metais tóxicos, como compostos de selênio e arsênio, também podem ser removidos da água por biorremediação. A redução de\(\ce{SeO^{2−}4}\) para\(\ce{SeO^{2−}3}\) e para Se 0 (selênio metálico) é um método usado para remover íons de selênio da água. O mercúrio é um exemplo de metal tóxico que pode ser removido de um ambiente por biorremediação. O mercúrio é um ingrediente ativo de alguns pesticidas; é usado na indústria e também é um subproduto de certas indústrias, como a produção de baterias. O mercúrio geralmente está presente em concentrações muito baixas em ambientes naturais, mas é altamente tóxico porque se acumula nos tecidos vivos. Várias espécies de bactérias podem realizar a biotransformação do mercúrio tóxico em formas não tóxicas. Essas bactérias, como a Pseudomonas aeruginosa, podem converter Hg 2+ em Hg 0, o que não é tóxico para humanos.
Provavelmente, um dos exemplos mais úteis e interessantes do uso de procariontes para fins de biorremediação é a limpeza de derramamentos de óleo. A importância dos procariontes para a biorremediação de petróleo foi demonstrada em vários derramamentos de óleo nos últimos anos, como o derramamento da Exxon Valdez no Alasca (1989) (Figura\(\PageIndex{9}\)), o derramamento de óleo Prestige na Espanha (2002), o derramamento no Mediterrâneo de uma usina elétrica do Líbano (2006) e, mais recentemente , o derramamento de petróleo da BP no Golfo do México (2010). Para limpar esses derramamentos, a biorremediação é promovida pela adição de nutrientes inorgânicos que ajudam as bactérias já presentes no ambiente a crescer. As bactérias degradadoras de hidrocarbonetos se alimentam dos hidrocarbonetos na gotícula de óleo, quebrando-os em compostos inorgânicos. Algumas espécies, como Alcanivorax borkumensis, produzem surfactantes que solubilizam o óleo, enquanto outras bactérias degradam o óleo em dióxido de carbono. No caso de derramamentos de óleo no oceano, a biorremediação natural contínua tende a ocorrer, na medida em que há bactérias consumidoras de óleo no oceano antes do derramamento. Em condições ideais, foi relatado que até 80% dos componentes não voláteis do óleo podem ser degradados dentro de 1 ano após o derramamento. Outras frações de óleo contendo cadeias de hidrocarbonetos aromáticas e altamente ramificadas são mais difíceis de remover e permanecem no ambiente por longos períodos de tempo. Pesquisadores modificaram geneticamente outras bactérias para consumir derivados de petróleo; de fato, o primeiro pedido de patente para um pedido de biorremediação nos EUA foi para uma bactéria geneticamente modificada que come óleo.
Procariontes dentro e sobre o corpo
Os humanos não são exceção quando se trata de formar relações simbióticas com procariontes. Estamos acostumados a pensar em nós mesmos como organismos únicos, mas, na realidade, somos ecossistemas ambulantes. Há 10 a 100 vezes mais células bacterianas e arqueais habitando nossos corpos do que nós temos em nossos corpos. Alguns deles estão em relações mutuamente benéficas conosco, nas quais tanto o hospedeiro humano quanto a bactéria se beneficiam, enquanto alguns dos relacionamentos são classificados como comensalismo, um tipo de relacionamento em que a bactéria se beneficia e o hospedeiro humano não é beneficiado nem prejudicado.
A flora intestinal humana vive no intestino grosso e consiste em centenas de espécies de bactérias e arquéias, com diferentes indivíduos contendo diferentes misturas de espécies. O termo “flora”, geralmente associado a plantas, é tradicionalmente usado nesse contexto porque as bactérias já foram classificadas como plantas. As principais funções desses procariontes para humanos parecem ser o metabolismo das moléculas alimentares que não podemos decompor, auxílio na absorção de íons pelo cólon, síntese de vitamina K, treinamento do sistema imunológico infantil, manutenção do sistema imunológico adulto, manutenção do epitélio do intestino grosso e formação de uma barreira protetora contra patógenos.
A superfície da pele também é revestida com procariontes. As diferentes superfícies da pele, como as axilas, a cabeça e as mãos, fornecem habitats diferentes para diferentes comunidades de procariontes. Ao contrário da flora intestinal, os possíveis papéis benéficos da flora cutânea não foram bem estudados. No entanto, os poucos estudos realizados até o momento identificaram bactérias que produzem compostos antimicrobianos como provavelmente responsáveis pela prevenção de infecções por bactérias patogênicas.
Os pesquisadores estão estudando ativamente as relações entre várias doenças e alterações na composição da flora microbiana humana. Parte desse trabalho está sendo realizada pelo Projeto Microbioma Humano, financiado nos Estados Unidos pelo National Institutes of Health.
Resumo da seção
Os procariontes existiram por bilhões de anos antes do aparecimento de plantas e animais. Acredita-se que os tapetes microbianos representem as primeiras formas de vida na Terra, e há evidências fósseis, chamadas estromatólitos, de sua presença há cerca de 3,5 bilhões de anos. Durante os primeiros 2 bilhões de anos, a atmosfera era anóxica e somente organismos anaeróbicos conseguiram viver. As cianobactérias iniciaram a oxigenação da atmosfera. O aumento na concentração de oxigênio permitiu a evolução de outras formas de vida.
Procariontes (domínios Archaea e Bactérias) são organismos unicelulares sem núcleo. Eles têm um único pedaço de DNA circular na área nucleóide da célula. A maioria dos procariontes tem parede celular fora da membrana plasmática. Bactérias e Archaea diferem nas composições de suas membranas celulares e nas características de suas paredes celulares.
As paredes celulares bacterianas contêm peptidoglicano. As paredes celulares arqueanas não têm peptidoglicano. As bactérias podem ser divididas em dois grupos principais: Gram-positivas e Gram-negativas. Organismos gram-positivos têm uma parede celular espessa. Os organismos gram-negativos têm uma parede celular fina e uma membrana externa. Os procariontes usam diversas fontes de energia para montar macromoléculas a partir de moléculas menores. Os fototróficos obtêm sua energia da luz solar, enquanto os quimiotróficos a obtêm de compostos químicos.
As doenças infecciosas causadas por bactérias permanecem entre as principais causas de morte em todo o mundo. O uso excessivo de antibióticos para controlar infecções bacterianas resultou na seleção de formas resistentes de bactérias. As doenças transmitidas por alimentos resultam do consumo de alimentos contaminados, bactérias patogênicas, vírus ou parasitas que contaminam os alimentos. Os procariontes são usados em produtos alimentícios humanos. A biorremediação microbiana é o uso do metabolismo microbiano para remover poluentes. O corpo humano contém uma enorme comunidade de procariontes, muitos dos quais fornecem serviços benéficos, como o desenvolvimento e manutenção do sistema imunológico, nutrição e proteção contra patógenos.
Conexões artísticas
Figura\(\PageIndex{5}\): Qual das seguintes afirmações é verdadeira?
- As bactérias Gram-positivas têm uma única parede celular formada a partir do peptidoglicano.
- As bactérias gram-positivas têm uma membrana externa.
- A parede celular das bactérias Gram-negativas é espessa e a parede celular das bactérias Gram-positivas é fina.
- As bactérias Gram-negativas têm uma parede celular feita de peptidoglicano, enquanto as bactérias Gram-positivas têm uma parede celular feita de fosfolipídios.
- Resposta
-
UMA
Notas de pé
- 1 Papagrigorakis M. J., Synodinos P. N., Yapijakis C, “A epidemia antiga de febre tifóide revela uma possível cepa ancestral de Salmonella enterica serovar Typhi, Infect Genet Evol 7 (2007): 126-7.
- 2 Naimi, T. S., LeDell, K. H., Como-Sabetti, K., et al., “Comparação da infecção por Staphylococcus aureus resistente à meticilina associada à comunidade e aos cuidados de saúde”, JAMA 290 (2003): 2976-2984, doi: 10.1001/jama.290.22.2976.
- 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september, Centers for Disease Control and Prevention, “Surto multiestadual de infecções por E. coli O157:H7 por espinafre”, setembro-outubro (2006).
- 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/? a=cbd-02, Convenção das Nações Unidas sobre Diversidade Biológica, “Artigo 2: Uso de termos”.
Glossário
- anaeróbico
- refere-se a organismos que crescem sem oxigênio
- anóxico
- sem oxigênio
- biofilme
- uma comunidade microbiana que é mantida unida por uma matriz com textura de goma
- biorremediação
- o uso do metabolismo microbiano para remover poluentes
- Peste negra
- uma pandemia devastadora que se acredita ter sido um surto de peste bubônica causada pela bactéria Yersinia pestis
- botulismo
- uma doença produzida pela toxina da bactéria anaeróbica Clostridium botulinum
- cápsula
- uma estrutura externa que permite que um procarioto se fixe nas superfícies e o protege da desidratação
- comensalismo
- uma relação simbiótica na qual um membro se beneficia enquanto o outro membro não é afetado
- conjugação
- o processo pelo qual os procariontes movem o DNA de um indivíduo para outro usando um pilus
- cianobactérias
- bactérias que evoluíram dos primeiros fototróficos e oxigenaram a atmosfera; também conhecidas como algas verde-azuladas
- epidemia
- uma doença que ocorre em um número excepcionalmente alto de indivíduos em uma população ao mesmo tempo
- extremófilo
- um organismo que cresce sob condições extremas ou adversas
- doenças transmitidas por alimentos
- qualquer doença resultante do consumo de alimentos contaminados ou de bactérias, vírus ou outros parasitas patogênicos que contaminam os alimentos
- Gram-negativo
- descreve uma bactéria cuja parede celular contém pouco peptidoglicano, mas tem uma membrana externa
- Gram-positivo
- descreve uma bactéria que contém principalmente peptidoglicano em suas paredes celulares
- fonte hidrotermal
- uma fissura na superfície da Terra que libera água aquecida geotermicamente
- tapete microbiano
- uma folha de procariontes de várias camadas que pode incluir bactérias e arquéias
- MRSA
- (Staphylococcus aureus resistente à meticilina), uma cepa de Staphylococcus aureus muito perigosa, resistente a antibióticos
- pandemia
- uma doença epidêmica generalizada, geralmente em todo o mundo
- patógeno
- um organismo, ou agente infeccioso, que causa uma doença
- peptidoglicano
- um material composto por cadeias polissacarídicas reticuladas a peptídeos incomuns
- fototrófico
- um organismo que usa energia da luz solar
- pseudopeptidoglicano
- um componente de algumas paredes celulares de Archaea
- estromatólito
- uma estrutura sedimentar em camadas formada pela precipitação de minerais por procariontes em esteiras microbianas
- transdução
- o processo pelo qual um bacteriófago move o DNA de um procarioto para outro
- transformação
- um mecanismo de mudança genética em procariontes no qual o DNA presente no ambiente é levado para a célula e incorporado ao genoma