1 e 2_2010_Introd Microbiologia

MICROBIOLOGIA
(2º semestre 2009/10)
DOCENTES Profª Cristina Viegas, Profª Leonilde Moreira, Prof. Miguel Teixeira
OBJECTIVOS
Aprendizagem dos fundamentos da Biologia dos Microrganismos,
da sua diversidade e actividades e das técnicas microbiológicas,
tendo em atenção a intervenção dos futuros licenciados em diversas
áreas de actividade relacionadas com o Ambiente e a Saúde,
o controlo e qualidade microbiológica e as indústrias de fermentação.
Objectivo da Microbiologia
Entender o modo como os microrganismos funcionam, de modo a
-explorar os aspectos benéficos da sua actividade
- prevenir/evitar os seus aspectos negativos.
(In J.G. Black, Microbiology – Principles and applications, 6th ed, John Wiley and sons)
Ciência biológica básica
()
Microbiologia tem providenciado muitas dos modelos biológicos
e das ferramentas para entender a natureza dos
processos biológicos. Compreensão da bioquímica e mecanismos
da vida resulta em grande parte de estudos em microrganismos.
Ciência biológica aplicada
Microbiologia trata de muitos problemas práticos
relacionados com Ambiente, Agricultura,
Medicina, Industria.
Impacto dos microrganismos
Têm sido usados como modelos celulares em Investigação Básica (alguns exemplos)
Processos biológicos
Modelos
DNA como a substância genética
(bactérias e vírus)
Mecanismo da expressão genética
(bactérias e virus)
O código genético
(bactérias)
Vias metabólicas essenciais (ex. Ciclo de Krebs)
(bactérias)
Enzimas de restrição (essenciais em Engenharia Genética)
(bactérias)
Transcriptase reversa
(virus)
(ex. na infeccção por HIV; no desenvolvimento de certos cancros)
Mecanismos de resistência a multiplas drogas
(ex. resistência a antibióticos; a antifungícos; a drogas
usadas no combate ao cancro; a pesticidas / Agricultura)
(várias bactérias e fungos)
MICROBIOLOGIA
Estuda os microrganismos, ou seja, os seres vivos de dimensões microscópicas
que existem como células únicas ou como grupos de células, e os virus, viróides,
priões (que são estruturas não-celulares, infecciosas).
Grego - mikros (pequeno), bios (vida) e logos (ciência)
Bactérias
Microrganismos
com estrutura
celular
Procariotas
(Domínios Bacteria e Archaea)
Fungos
Protozoários
Bacteriologia
Micologia
Eucariotas
Protozoologia
(Domínio Eukarya)
Microalgas
Virus
Não-celulares
Viróides
Priões
Ficologia
Virologia
Célula – Unidade Fundamental da Vida
Caracteristicas principais da vida celular
*
()
Flagelo
*
Spore can be intracellular (Ex: endospore in some bacteria;
function: survival) or extracellular.
Spore function – survival and/or reproduction
()
* Diferenciação e movimento não são propriedades comuns a
todos os microrganismos
Cells can be considered
coding devices
that store and process information
that is eventually passed on to
offspring during reproduction
through DNA
(deoxyribonucleic acid)
and evolution.
Machine
Functions
Cells can also be considered machines
that carry out chemical transformation.
Enzymes are the catalysts
of this chemical machine,
greatly accelerating the rate of
chemical reactions.
The link between
cells as machines and
cells as coding devices
is growth.
()
Coding
Functions
Designação dos microrganismos
Ex. Pseudomonas putida IST21
Pseudomonas fluorescens SC30
Estirpe
Género
(em itálico ou sublinhado)
Espécie
(em itálico ou sublinhado)
Pseudomonas sp.
Género
Diversas espécies
PROGRAMA (tópicos)
Âmbito, evolução e técnicas da MICROBIOLOGIA. Impacto dos Microrganismos.
MICROBIOLOGIA CELULAR
- Estruturas celulares principais e função em microrganismos dos
domínios Bacteria, Archaea, e Eukarya.
NUTRIÇÃO MICROBIANA, CRESCIMENTO E O SEU CONTROLO
- Exigências nutricionais
- Diversidade metabólica.
- Crescimento microbiano, em suspensão e em biofilmes.
- Efeito de factores ambientais no crescimento microbiano. Equação de Monod.
- Cultura contínua: equações do estado estacionário e aplicação em estudos fisiológicos e
na selecção de estirpes.
- Controlo dos microrganismos por métodos físicos e químicos.
MODIFICAÇÃO E TRANSFERÊNCIA DA INFORMAÇÃO GENÉTICA
- Mutação;
- Agentes mutagénicos; preparação e selecção de mutantes;
- Plasmídeos e função biológica; conjugação e mobilização;
- Elementos genéticos móveis.
DIVERSIDADE MICROBIANA
- Taxonomia clássica e molecular; evolução, filogenia e classificação.
- Microrganismos de interesse industrial, ambiental e médico.
- Virus.
BIBLIOGRAFIA ACONSELHADA
. M. T. Madigan, John M. Martinko, Jack Parker, Brock Biology of Microorganisms,
Prentice Hall Editions, 10ª (2003) ou 11ª (2006) edições.
(site, 10ª ed – http://www.prenhall.com/madigan)
. L. M. Prescott, J. P. Harley, D. A. Klein, Microbiology, McGrawHill, 6ª (2005) ou 7ª (2008)
edição.
(site – http://www.mhhe.com/prescott5 e http://www.mhhe.com/prescott6)
. Portal de ensino em BIOLOGIA, disponível em http://www.e-escola.utl.pt
Tópicos: Microbiologia e Laboratórios de Microbiologia
LOCAIS INTERESSANTES DEDICADOS AO ESTUDO DOS MICRORGANISMOS
E SEU IMPACTO NAS NOSSAS VIDAS
(na página da unidade curricular)
AVALIAÇÃO GLOBAL
Exame final (nota mínima: 9,5 valores)
Nota final = 0,75 x (nota exame) + 0,25 x (nota laboratório)
AULAS LABORATORIAIS
8 Trabalhos laboratoriais, distribuidos por 6 aulas (3 horas de 15/15 dias)
(organização detalhada na página/Fénix)
- TP.1. Preparação de meios de cultura, técnicas de assépsia e de esterilização, repicagem de culturas.
- TP.2. Isolamento e enumeração de bactérias e fungos cultiváveis presentes em amostras ambientais.
- TP. 3. Coloração de bactérias e observação ao microscópio.
- TP. 4. Crescimento de uma cultura bacteriana.
- TP. 5. Avaliação da susceptibilidade de bactérias a antibióticos.
- TP. 6. Actividade bioquímica de bactérias.
- TP. 7. Observação de fungos ao microscópio.
- TP. 8. Análise bacteriológica de águas.
AVALIAÇÃO DA COMPONENTE LABORATORIAL:
- (A) Entrega, no início de cada sessão laboratorial, de descrição resumida de cada trabalho
a realizar nessa sessão (máximo: 20 linhas);
- (B) Entrega de relatórios escritos sobre todos os trabalhos (excepto o TP1),
2 semanas após a finalização de cada trabalho
Nota (laboratório) = 0,40 x (nota de A) + 0,60 x (nota de B)
- Guia de Trabalhos laboratoriais de Microbiologia, Secção de Folhas AEIST, 2010.
- Portal e-escola, Laboratórios de Microbiologia
MEBiol
Turno
B
Grupos
B1-B5
Semana
s
1-5
Mar
QF-T1
9/3 (3ªf)
TURNO
D
Grupos
D1-D5
MB-T1
18/3 (5ªf)
QF-T1
23/3 (3ªf)
MB-T2
30/3 (3ªf)
22 -26
Mar
29 - 31
Mar
3-7
Maio
10 – 14
Maio
MB-T1
19/3 (6ªf)
MB-T2
25/3 (5ªf)
QF-T1
25/3 (5ªf)
MB-T2
26/3 (6ªf)
QF-T1
26/3 (6ªf)
FP
FP
FP
FP
MB-T2
8/4 (5ªf)
31 Maio
–4
Junho
QF-T1
12/3 (6ªf)
MB-T2
9/4 (6ªf)
QF-T2
13/4 (3ªf)
QF-T2
15/4 (5ªf)
QF-T2
15/4 (5ªf)
QF-T2
16/4 (6ªf)
QF-T2
16/4 (6ªf)
MB-T3
20/4 (3ªf)
MB-T3
19/4(2ªf)
MB-T3
22/4 (5ªf)
MB-T3
21/4 (4ªf)
MB-T3
23/4 (6ªf)
QF-T2
27/4 (3ªf)
MB-T4
29/4 (5ªf)
MB-T4
4/5 (3ªf)
MB-T5+6
11/5 (3ªf)
17 – 21
Maio
24 - 28
Maio
TURNO
F
Grupos
F1-F5
QF-T1
12/3 (6ªf)
QF-T1
19/3 (6ªf)
FP
QF-T1
11/3 (5ªf)
QF-T2
22/4 (5ªf)
26 - 30
Abril
TURNO
E
Grupos
E1-E5
MB-T1
5/3 (6ªf)
QF-T1
11/3 (5ªf)
QF-T1
18/3 (5ªf)
MB-T1
16/3 (3ªf)
12 - 16
Abr
19 – 23
Abril
TURNO
C
Grupos
C1-C5
MB-T1
4/3 (5ªf)
8 – 12
Mar
15 – 19
Mar
5–9
Abril
MEAmb
QF-T2
23/4 (6ªf)
QF-T2
29/4 (5ªf)
MB-T4
30/4 (6ªf)
MB-T4
7/5 (6ªf)
MB-T4
6/5 (5ªf)
MB-T5+6
13/5 (5ªf)
MB-T5+6
20/5 (5ªf)
MB-T7+8
25/5 (3ªf)
MB-T5+6
14/5 (6ªf)
MB-T5+6
21/5 (6ªf)
MB-T7+8
27/5 (5ªf)
MB-T7+8
31/5 (2ªf)
QF-T2
30/4 (6ªf)
MB-T7+8
28/5 (6ªf)
MB-T7+8
4/6 (6ªf)
TURNO
1
Grupos
A-E
Semanas
1-5 Mar
8 – 12 Mar
T1 8/3 (2ªf)
15 – 19 Mar
22 -26 Mar
T2 22/3 (2ªf)
29 - 31 Mar
5 – 9 Abril
FP
12 - 16 Abr
T3 12/4 (2ªf)
19 – 23 Abril
26 - 30 Abril
T4 26/4 (2ªf)
3 - 7 Maio
10 – 14 Maio T5+6 10/5 (2ªf)
17 – 21 Maio
24 - 28 Maio T7+8 24/5 (2ªf)
31 Maio – 4
Junho
7-9 Junho
Turno
2
Grupos
F-J
T1 10/3 (4ªf)
T2 24/3 (4ªf)
FP
T3 14/4 (4ªf)
T4 28/4 (4ªf)
T5+6 12/5 (4ªf)
T7+8 26/5 (4ªf)
IMPACTO DOS
MICRORGANISMOS
NO AMBIENTE E NAS
ACTIVIDADES HUMANAS
Impacto dos microrganismos
DOENÇA
Os microrganismos têm marcado
profundamente o rumo da história
da Humanidade
Sec. XIV – “Peste Negra”;
Peste bubónica
(bactéria Yersinia pestis)
25 milhões de mortos em
poucos anos
“O Triunfo da Morte”, Pieter Bruegel The Elder, Sev. XVI
(Perry, Staley, Lory, Microbial Life, Sinauer ed)
Alguns marcos históricos (microrganismos e doença)
1546 – 1ª sugestão de que organismos invisiveis causam doenças - Fracastoro
1676 – Microscópio rudimentar – Leeuwenhoek descobre “animalcules”
1765/76 – Spallanzani ataca teoria da geração expontânea
(machadada final – experiências de Pasteur – séc. XIX)
1798 – 1º caso bem sucedido de vacinação – varíola
(frequentemente letal; causada por vírus) – Jenner
(com exudado de feridas causadas pelo vírus causador
de “cowpox” - transmissível do gado ao Homem)
(In Perry, Staley, Lorry,
Microbial Life, Sinauer ed.)
(quase 100 anos antes do isolamento do 1º virus e da
compreensão da natureza das infecções virais)
1847/50 – 1ª observação da transmissão de doenças devido a ausência
de higiene durante a prática médica
(veículos: instrumentos médicos e cirurgicos; mãos sujas).
Introdução de cuidados sanitários e agentes antisépticos.
1867 – Lister publica trabalho sobre cuidados antisépticos na cirurgia
1876/84 – Koch demontra que carbúnculo (“anthrax”) é causada por uma
bactéria – Bacillus anthracis
. cultiva bactérias em gelatina
(1º aplicação de meios sólidos para cultura de bactérias).
. descobre agente da tuberculose, Mycobacterium tuberculosis.
. publica os postulados de Kock
(correlação bactéria-doença)
. Laveran descobre o protozoário causador da malária - Plasmodium
1885 – Pasteur desenvolve vacina contra cólera (causada por bactéria) e raiva (causada por vírus)
- Início do desenvolvimento da Imunologia
(inoculação com formas não-patogénicas, atenuadas, dos agentes biológicos)
- Escherich descobre uma bactéria que causa diarreia – estirpe diarreica de Escherichia coli
1894 – Kitasato e Yersin descobrem a bactéria causadora da peste – Yersinia pestis
1903 – Wright e outros descobrem anticorpos no sangue de
animais imunizados
1929 – Fleming descobre (acidentalmente) a penicilina
Sec. XX / XXI
- Descoberta e produção de agentes quimioterapêuticos
(antibióticos antibacterianos, antifungicos, etc.).
- Produção de vacinas.
- Isolamento e estudo de agentes de doenças infecciosas.
- Sequenciação dos genomas de vários organismos
causadores de doenças.
(Séc. XX)
SAÚDE PÚBLICA
(Madigan, Martinki, Parker, Brock Biology of Microrganisms, 10ª ed., Prentice Hall)
Principais razões subjacentes à diminuição da
incidência de doenças infecciosas:
- Melhor compreensão dos agentes microbianos causadores
de doença e dos processos de transmissão e desenvolvimento;
- Melhoramento das práticas sanitárias;
- Descoberta e uso de agentes antimicrobianos (ex. Antibióticos)
- Descoberta e uso de vacinas.
Contudo, doenças de origem microbiana
ainda causam milhares de mortes em
zonas menos desenvolvidas do Mundo.
Exemplos:
- Malária
- tuberculose
- cólera
- sindromas diarreicos severos
- doença do sono Africana
(http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/gudmesta/image/EB/eb2.jpg)
Zonas de necrose
dos tecidos
DOENÇAS CAUSADAS POR
MICRORGANISMOS EM
PLANTAS COM INTERESSE
ECONÓMICO
(AGRICULTURA)
EXEMPLO
Batateira / batata infectada pelo
fungo Phytophora infestans
1845, IRLANDA
o Verão irlandês foi frio e húmido e o fungo P. infestans
propagou-se facilmente nos campos de batatas.
Toda a colheita desse ano foi destruída em cerca de uma semana.
Esta perda levou a uma fome generalizada, tendo morrido
mais de 800 000 pessoas.
Causou dramáticas mudanças sociais, entre as quais a emigração
em massa (cerca de 2 milhões de irlandeses) para os EUA.
(Entre as famílias irlandesas emigrantes contam-se os Fitzegeralds
e os Kennedy ⇒ 1917, nasce John Fitzegerald Kennedy
(1960, Presidente dos EUA)
Microfotografia de Phytophora infestans
Impacto dos microrganismos
Actividades benéficas nos Ambientes Naturais
Microflora natural – competem com microrganismos patogénicos e produzem alguns
nutrientes para os organismos hospedeiros
()
Decomposição de matéria orgânica morta - reciclagem de nutrientes na bioesfera (transformação
de compostos orgânicos em compostos mais simples que
podem ser utilizados como nutrientes por diversos organismos)
Reciclagem de nutrientes inorgânicos
( compostos de S e compostos de N)
Fertilização do solo (fixação de azoto, nitrificação) – algumas bactérias fixam o N2 atmosférico
e convertem-no numa forma mais facilmente
assimilável pelas plantas (NH3). Outras
transformam amónia (NH3) em nitrato.
()
Microflora natural
no ser humano
(~ 1012 células de microrganismos)
Microrganismos fazem parte do ambiente
humano e contribuem significativamente para a
saúde humana.
Papel benéfico:
- Barreira de defesa
contra
invasão por
microrganismos
patogénicos
(competição - pH,
nutrientes, bacteriocinas, etc.)
- Participação na
nutrição
DESIQUILIBRIO NA FLORA
MICROBIANA NATURAL
(p.ex. causado por stresse, dieta inadequada,
terapia por antibióticos, etc.)
(In Prescott, Harley & Klein, Microbiology, McGrawHill, 6th ed)
Infecção → doença
(por microrganismos oportunistas)
PUBLICO, 12 Fev 2007, secção Ciência
()
Notícia - “A pele é um jardim zoológico de bactérias”
Z Gao, C-H Tseng, Z Pei & MJ Blaser, 2007, “Molecular analysis of human foreharm superficial
skin bacterial biota”, Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, 104: 2927-2932.
(Cientistas da New York University School of Medicine)
Esfregaços de pele
Antebraço de 6
pessoas saudáveis
Método molecular para
identificar bactérias
presentes nos esfregaços
(análise da sequência de bases de
regiões específicas da subunidade
16S do RNA ribossómico –
16S rRNA)
1º ESTUDO MOLECULAR DA
MICROFLORA DA PELE
247 espécies de bactérias diferentes!!!
MAIS 200 do que as conhecidas até à data
~ 80% não são cultiváveis nos meios de cultura
laboratoriais conhecidos
AS BACTÉRIAS DA PELE SÃO ESSENCIAIS - PAPEL DE PROTECÇÃO:
. eliminam pele morta;
. impedem a invasão por bactérias patogénicas.
OS HABITANTES MICROBIANOS DA EPIDERME
PODEM VARIAR AO LONGO DO TEMPO, COM:
. Modificação das condições meteorológicas
. Exposição à luz solar
. Uso de cosméticos
. Higiene pessoal
Actividades benéficas nos Ambientes Naturais (cont.)
Sobrevivência do gado e outros ruminantes – digestão de celulose
Base das cadeias alimentares aquáticas e terrestres ( )
Produção de oxigénio – microrganismos fotossintéticos aquáticos / oceanos
(p.ex. fitoplankton - cianobatérias; microalgas)
Controlo de pestes (Agricultura) - biopesticidas microbianos naturais
Destruição de compostos tóxicos - biodegradação de compostos tóxicos naturais e
artificiais (poluição)
Pasteur (século XIX)
“O papel na Natureza do infinitamente pequeno é infinitamente grande”
()
(www.bact.wisc.edu)
“Tube-worms”
()
Diagrama simplificado de um cico de nutrientes típico
em ambiente aquático;
Fitoplankton – principalmente, microrganismos fotossintéticos
(microalgas; algumas bactérias)
DOM – “Dissolved Organic Matter”; POM – “Particulate organic matter”
N – Azoto; P - fósforo
(Prescott, Harley, Klein, Microbiology, McGrawHill, 5th ed)
Chaminé hidrotermal no fundo dos oceanos
(vulcânica) e “tube-worms” (vermes do fundo
marinho).
Exemplo de ecossistema impar, em que
bactérias vivem endosimbioticamente no interior de
células especializadas dos vermes. Essas bactérias
são capazes de obter energia a partir da oxidação
de H2S e de transformar CO2 em matéria orgânica,
a qual serve de alimento para o verme hospedeiro.
Impacto dos microrganismos
ALIMENTOS
Produção de bebidas fermentadas – fermentação alcoólica
Produção de alimentos – pão,
- queijo, molho de soja, iogurte (fermentação láctica)
- outros alimentos fermentados
Conservação de alimentos – ácido láctico, ácido acético, bacteriocinas, etc.são produtos de
origem microbiana usados como conservantes alimentares
(evitam contaminação e, assim, deterioração dos alimentos e/ou transmissão de
doenças causadas por organismos infecciosos)
Aditivos Probióticos – Microrganismos (ex. Bifidobacterium, Lactobacillus sp.) ou
substâncias por eles sintetizadas que promovem a Saúde e
o crescimento
()
(presentes nos iogurtes ou leites fermentados)
(Prescott, Harley, Klein, Microbiology, McGrawHill, 5th ed)
Impacto dos microrganismos
ENERGIA / AMBIENTE
Produção de metano / biocombustível - a partir de desperdícios orgânicos
(lixo doméstico, desperdícios agrícolas, estrume, etc.),
- por bactérias metanogénicas (produtoras de metano)
Produção de etanol / combustível (bioetanol), solvente industrial – por fermentação alcoólica,
a partir de aproveitamento de
desperdicios agrícolas (fruta, melaços, etc.),
efluentes industriais (ex. soro do queijo), etc.
Microfuel as Biofuel – One of the hottest topics
in contemporary energy and climate change,
gaining ever-increasing attention
(em Focus, Jul2008, newsletter of FEMS – Federation of European
Microbiological Societies
Biorremediação – Despoluição de solos e ambientes aquáticos / marinhos,
biodegradação de hidrocarbonetos do petróleo, pesticidas, solventes
Tratamento biológico de esgotos e águas residuais
Recuperação/ lixiviação de minérios (p.ex. de cobre)
Impacto dos microrganismos
BIOTECNOLOGIA*
Produção de Antibióticos - muitos microrganismos sintetizam compostos químicos que impedem
o crescimento de microrganismos causadores de doenças
infecciosas nos seres humanos e outros animais
Produção de outros produtos farmacêuticos – por microrganismos geneticamente manipulados
de modo a exprimirem e sintetizarem produtos de
genes heterólogos (engenharia genética);
p.ex. insulina humana, hormona de crescimento
humano, interferão, vacinas, etc.
Produção de enzimas (para industrias alimentar e têxteis, detergentes, etc.), vitaminas,
aminoácidos (industria alimentar), bioinsecticidas (para Agricultura), biomassa
microbiana - “single-cell protein” (para rações de animais), etc.
• Usa microrganismos capazes de sintetizar produtos com elevado valor comercial, em processos
industriais em grande escala; recorre frequentemente a microrganismos genéticamente
manipulados