Fatores biуticos: Interaзхes microbianas

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Fatores bióticosInterações microbianas

• Interações espécies, populações e comunidades.
• Sucessão ecológica

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Fatores Bióticos Fatores bióticos são os
elementos causados pelos organismos em um
ecossistema que condicionam as populações que o
formam. Ex A existência de uma espécie em
número suficiente para assegurar os níveis de
nutrientes de outra. Muitos fatores bióticos se
traduzem nas relações ecológicas como a predação,
parasitismo e competição.
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Escalas e conceitos
Níveis de organização
(Odum, 1988)
(Odum, 1988)
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Níveis de organização

• Indivíduos são os próprios microrganismos.
• Populações grupo de indivíduos com
  características e origem comuns (mesma espécie,
  mesma ancestralidade )
• Comunidades consiste de populações ocupando um
  habitat particular.
• Ex comunidade da rizosfera, do rúmen
• Ecossistemas compreende a comunidade junto com
  seu ambiente físico (fatores abióticos)
• Estrutura produtores micro-consumidores
  macro-consumidores - decompositores
• Biosfera compreende todos os ambientes e
  organismos do planeta.

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Espécie Indivíduos com a mesma constituição
genética.
Conceito antigo Estirpes - apresentam cerca de
70 ou mais de homologia no seu DNA.
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População
Grupo de microrganismos da mesma espécie que
ocupam uma determinada área. (mesma constituição
genética, usam os mesmos substratos, ocupam o
mesmo nicho ecológico)
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Características das populações

• Densidade
• 2. Velocidade de crescimento e mortalidade
• 3. Potencial biótico (máx. capacidade de
  multiplicação)
• 4. Padrões internos de distribuição
• 5. Estratégias de uso da energia (r e K)
• 6. Dispersão

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Estratégias de sobrevivência e crescimento
Adaptações estruturais Lagos alcalinidade
extrema Lagos salinidade extrema Emanações
termais Solos desérticos Pressão
extrema Adaptações nutricionais Estratégias de
reprodução r e K  
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• Estratégia de reprodução r/K é um modelo de
  seleção de características
• Que promovem o sucesso em determinados ambientes.
  
• As pressões seletivas orientam a evolução para
  duas direções
• à seleção r ou à seleção K.
• Estes termos derivam de modelo da dinâmica
  populacional
•                     
• N população, r fator crescimento, e K
  capacidade de carga (freio) do ambiente.
• As espécies com estratégia r exploram nichos
  ecológicos vazios e produzem um número elevado de
  descendentes a cada ciclo.
• As espécies com estratégia demográfica K são
  competidoras com outras espécies, e geram
  descendentes com maior probabilidade de
  sobrevivência.

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Características biológicas para crescimento e
sobrevivência
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Interações dentro da população
Existe um relacionamento positivo entre a aptidão
individual e os números de indivíduos da mesma
espécie. A medida que a densidade populacional
aumenta, a sobrevivência e a produção também
crescem (Lei de Allee).
Cooperação
Interações positivas velocidade de crescimento
aumenta.
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Cooperação

• Ex Patogenicidade associada a DMI
• (dose mínima infectiva)

• Na natureza são frequentemente observadas
  colônias em vez de células isoladas.

Uma célula raramente supera as barreiras de
defesa.
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Na cooperação ocorrem

• Trocas genéticas que permitem
• resistência a antibióticos
• resistência a metais
• utilização de substratos orgânicos incomuns

Um agente inibidor é MENOS eficiente em culturas
densas do que em culturas diluídas.
Altas densidades celulares aumentam a eficiência
da transformação, conjugação e transdução.
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Comunidade o comportamento coletivo
Conjunto de populações que ocorrem juntas no
tempo e espaço.
Grupo de diferentes espécies que exploram em
conjunto os mesmos recursos ambientais (guildas).
Sabe-se atualmente que as bactérias são
encontradas em comunidades de diferentes graus de
complexidade, geralmente compondo um biofilme.
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Características das comunidades
Sinergismo
Auto-regulação
Comunalismo
Homeostase
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Auto-regulação e sinergismo

• Auto-regulação
• Capacidade de definir espontaneamente a
  estrutura (composição das espécies), a
  arquitetura (arranjo espacial das espécies) e sua
  manutenção.

• Sinergismo
• Capacidade de conversão mais eficiente de
  recursos abióticos em recursos bióticos da
  comunidade quando em associação do que
  individualmente.

Quorum sensing
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Comunalismo e homeostase

• Formação de zonas de contato que criam faixas de
  tensão entre diferentes populações.
• Maior número de nichos.

• Constituição de um ambiente favorável inserido
  em um macro-ambiente desfavorável.

Quando a luz solar é intensa e a temperatura
atmosférica sobe, o fitoplâncton da superfície
oceânica prolifera e produz mais dimetilo de
enxofre, que age como núcleo de condensação de
nuvens aumentando o albedo do planeta.
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Como se formam as comunidades?
Interdependência
célula
Redutor de sulfato
Oxidantes do S
População 1
População 2
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Qual o gatilho para a formação da comunidade?
Quorum sensing
Processo de sensoriamento químico dependente da
densidade populacional
QUORUM - número mínimo de participantes
requeridos para que uma ação possa ocorrer
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Quorum sensing Teve início com estudos da
simbiose entre animal marinho e Vibrio fischeri
Sinal-AHL (lactona)
Nealson, K. Platt, T. Hastings, J.W. (1970).
"The cellular control of the synthesis and
activity of the bacterial luminescent system".
Journal of Bacteriology 104 (1) 313322
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(No Transcript)
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• Mecanismo de Quorum SensingRealizado por meio
  de pequenas moléculas, denominadas autoindutores
  (AI).
• Em Gram negativas os autoindutores são do tipo
  N-acil homoserina lactonas (AHL), pequenas
  moléculas que se difundem livremente nas células.
• Em Gram positivos, correspondem a pequenos
  peptídeos que se ligam a receptores localizados
  na superfície das células bacterianas.
• Etapas
• Durante o crescimento, todas as células produzem
  e liberam uma pequena quantidade de
  autoindutores.
• Quando a população se encontra na fase
  logarítmica, a quantidade de autoindutor alcança
  uma concentração limite, suficiente para disparar
  o processo de alteração da expressão gênica.

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Funções controladas por QS

• Frutificação em fungos
• Produção de antibióticos por Streptomyces
• Competência genética em Streptococcus
• Diferenciação dos biofilmes de Pseudomonas
  aeruginosa
• Transferência de DNA para outros organismos
• Expressão de fatores de virulência
• Formação de heterocistos em Anabaena (fixação de
  N)

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Comunidades microbianas em biofilmes
Biofilmes Comunidades complexas de microrganismos
associadas à superfícies ou interfaces Podem
incluir bactérias, fungos, protozoários e outros
microrganismos.
Importantes na saúde, indústria, biotecnologia e
ambiente
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Biofilmes
80 das infecções hospitalares

• Sub-superfícies (profundezas terrestres)
• Trato gastrointestinal de mamíferos e insetos
• Bolsas sub-gengivais, dentes
• Fumarolas hidrotermais
• Rizosfera
• Ductos, tratamento de água e efluentes
• Implantes médicos (marca-passos, cateteres,
  válvulas cardíacas)

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(No Transcript)
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Formação do biofilme5 estágios(http//vsites.unb
.br/ib/cel/microbiologia/biofilme/biofilme.html)
Início Quorum sensing
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(No Transcript)
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Onde se formam os biofilmes?
Superfícies úmidas
Superfícies dos tecidos em seres vivos
Interfaces líquido-ar
Bacteria
Algas
Polímero
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Biofilme em dutos(Http//www.edstrom.com/waterqua
litybulletins.cfm)
Bactérias desenvolvem colônias cooperativas ou
"consócios" dentro do biofilme um biolfilme
anaeróbio se desenvolve abaixo de um biofilme
aeróbio. O fluxo turbulento destaca células que
seguem o fluxo da água.
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Biofilmes em tecidos Klebsiella pneumoniae e
Pseudomonas aeruginosa (infecções respiratórias
crônicas em pacientes com fibrose cística)

• Estudos sugerem que a formação de biofilme é um
  fator de virulência importante.
• Bactérias crescendo no interior de biofilmes são
  mais resistentes aos antibióticos.

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Biofilmes em tapetes microbianosParticipam na
produção primária e na formação de rochas
sedimentares
Tapetes microbianos são comunidades compostas
principalmente de procariotos fotossintetizantes
A principal diferença entre tapetes microbianos
e outros biofilmes é sua dependência em relação a
fotossíntese como sua fonte primária de energia.
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Biofilmes em animais
Placa dentária corada com iodo
Microrganismos no intestino de ratos
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Biofilmes em plantas
Rizobactérias
Promovem o crescimento de plantas pela produção
de sideróforos, assimilação de minerais, produção
de hormônios e fixação de nitrogênio.
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Como impedir a formação de biofilmes?
Furanonas naturais (algas, plantas)
interferem com AHL
Síntese de anti-biofilmes
Cobrir as superfícies com drogas anti-biofilmes
Sensibilizar as bactérias nos biofilmes aos
antibióticos
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Informações escassas
Comunidades microbianas são complexas
Dificuldades técnicas para análises in situ
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Metagenômica(Análise funcional da coletividade
de genomas microbianos)
Estudo de microbiota não cultivável (99 )
Sequenciamento shotgun do DNA total da amostra
ambiental.
Construção de livrarias clonais
Outras
Microarranjos Proteômica
Seleção de sequências funcionais
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Metagenômica Comunidades estudadas
complexo
simples
1,2 milhões de novos genes, 148 novas espécies
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O modelo das culturas puras
Crescimento planctônico
Fisiologia
Patogênese
Estudos in vitro
Crescimento bacteriano em cultura pura em meio
líquido
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Artifício
Koch e o desenvolvimento dos meios sólidos
Gerações de microbiologistas basearam suas
descobertas em cultura puras.
Mas na Natureza raramente os microrganismos se
encontram na forma de culturas puras
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Evolução das comunidades com o tempoSucessões

• ESTABILIDADE
• Depende
• Interações
• Inter-relações
• Adaptações

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O que são sucessões?

• É a troca de um tipo de comunidade 
  por outra, em resposta a
• modificações  no meio, que afetam o habitat, leva
  ndo  ao 
• estabelecimento final de uma microbiota estável
  ou comunidade clímax.

Primárias - habitat não colonizado Ex Trato
gastrointestinal de recém nascido
Tipos
Secundárias - habitat com prévia colonização Ex
Solo agrícola
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Exemplo de sucessões

• Comunidades do trato gastrointestinal humano
• O trato GI do recém nascido é estéril.
• Pioneiros (Lactobacillus) colonizam (sucessão
  primária), crescem e mudam o ambiente.
• Anaeróbios facultativos (E. coli e S. faecalis)
  substituem os pioneiros (sucessão secundária).
• Bacteroides dominam a comunidade clímax estágio
  final de equilíbrio, depois da ingestão de
  alimentos sólidos.
• Em ruminantes a comunidade clímax inclui
  decompositores de celulose (Bacteroides,
  Ruminococcus), degradadores de proteína
  (Veillonella), degradadores de amido
  (Selenomonas) e produtores de metano
  (Methanobacterium).

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Interações positivas

• Sinergismo (sintrofismo ou protocooperação)
• Intercâmbio de compostos entre duas populações,
  favorecendo a ambos, sem ocorrência de simbiose.
• Ex. Animais e microrganismos degradadores de
  celulose
• Térmitas
• Rúmen
• Invertebrados-algas

Outras Comensalismo (aproveitamento dos
resíduos) Mutualismo ou simbiose (fungos e algas)
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Associação não é obrigatória Traz benefícios a
ambas populações A e B
Sinergismo - Síntese de um produto ou via
metabólica que nenhuma das populações é capaz de
fazer isoladamente.
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Interações negativas(entre populações nas
comunidades)

• Competição (por nutrientes)
• Inibição da germinação dos esporos no solo
• Modificações na composição da atmosfera
• Amensalismo (antibiose)
• Produção de substâncias inibitórias ou tóxicas.
  Antibíóticos, ácido láctico.
• Predação protozoários e invertebrados em
  bactérias
• Parasitismo virús em bactérias, quitrídios em
  outros fungos.

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Flutuações amplas
dificilmente atingem o clímax
Mudanças ambientais
Extinção
Emigração
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Relações microrganismos-hospedeiro