Microbiologia uma ciência para a vida

Introdução à Microbiologia

� É a ciência que estuda os microrganismos ◦ O que são os microrganismos?

� Seres vivos extremamente pequenos que não são visíveis a olho nú

� Podemos incluir neste grupo: � Bactérias, fungos, microalgas, protozoários,

helmintos (vermes chatos e cilindricos) � Vírus (não são considerados seres vivos)

Subdivisões da Microbiologia

�  Bactérias (Bacteriologia) - organismos procarióticos;

�  Fungos (Micologia) - organismos eucarióticos; �  Vírus (Virologia) - parasitas intracelulares

obrigatórios; �  Protozoários (Parasitologia) - organismos

eucarióticos; � Microalgas (Ficologia) - algas procarióticas e algas

eucarióticas;

Tipos Celulares Procariotos x Eucariotos

Archaea – procariotos Bactérias-procariotos

Fungos – eucariotos

Protozoários-eucariotos Microalgas-eucariotos Vírus - parasitas celulares

obrigatórios

Microrganismos no ambiente

•  Micróbios são encontrados por todo o planeta e afetam todos os aspectos de nossas vidas

Micróbios no solo

MEV de bactérias associadas a raízes

•  Micróbios no solo são essenciais para o ciclo dos nutrientes

•  Algumas bactérias fixadoras de nitrogênio ex. Rhizobium vivem em associação com plantas

•  Enzimas específicas de fungos e bactérias podem digerir materiais como a celulose

Microrganismos marinhos

•  Muitos peixes de profundezas têm órgãos que brilham no escuro •  Esse brilho é devido a uma relação simbiótica com uma bactéria fluorescente

Bactéria marinha bioluminescente

Micróbios no lar •  Nós compartilhamos nossa casa com um vasto número de microrganismos

•  Muitos são inofensivos, mas alguns podem nos causar problemas de saúde •  Estes são facilmente evitados utilizando simples precauções higiênicas

Bactéria de uma maçaneta do banheiro

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Comunidade microbiana em uma tábua de cortar (cozinha)

Micróbios e humanos • Existe uma grande comunidade microbiana em nossa pele e trato digestório •  Isto é perfeitamente normal e geralmente saudável •  Os residentes normais ajudam a lutar contra os patogênicos

Entre os dedos dos pés Uma tosse

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A pele

• A pele carrega entre 100 – 10.000 bactérias por cm²

cera do ouvido Meias usadas Secreção nasal

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Dente

•  Os dentes possuem uma comunidade microbiana complexa •  As placas são um biofilme produzidos por bactérias que produzem substâncias pegajosas para colar a bactéria à superfície dentária

O intestino

•  A maior comunidade microbiana está em nosso intestino (cólon)

• Sem essas bactérias i n t e s t i n a i s n ã o p o d e r í a m o s d i g e r i r c o m p l e t a m e n t e o s alimentos

•  Cada grama de feze humana apresenta 100,000,000,000 de micróbios

ASM

Microrganismos e Saúde

•  Uma minoria dos micróbios podem causar doenças em humanos, plantas e animais

•  Doenças de plantas e animais causam um impacto significante na economia

•  Lembre-se: para cada bactéria patogênica para o homem existem pelo menos 10 espécies inofensivas

Modelo de um vírus de língua

Planta infectada com o vírus mosaico do couve-flor

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Salmonella repicada em uma placa com ágar

C. R

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Exemplos de doenças infecciosas

Danos causados por microrganismos

danos na natureza e na agricultura

Efeitos benéficos dos microrganismos �  Ciclagem de nutrientes; �  Fotossíntese; �  Decomposição e biodegradação; �  Fixação de Nitrogênio atmosférico; �  Microbiota natural de outros organismos; �  Produção de alimentos e combustível; �  Produção de antibióticos, toxinas e

vacinas; �  Biotecnologia; �  Pesquisa básica.

Efeitos benéficos dos microrganismos

Efeitos benéficos dos m

icrorganismos

•  A Biotecnologia tradicional inclui a produção de pão, queijo, vinho, cerveja e outros produtos fermentados

•  Nós temos nos aproveitado da atividade microbiana por milhares de anos:

Colocando os micróbios para trabalhar

•  Outros alimentos envolvem a atividade de microrganismos de ocorrência natural, como legumes, chocolate

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Biotecnologia

•  No século XX surgiram as modernas indústrias de biotecnologia

•  P r o d u t o s i n c l u e m antibióticos e outros remédios, e n z i m a s e i g r e d i e n t e s alimentícios

•  Alguns remédios vitais, como a i n s u l i n a ( d i a b e t e s ) , s ã o produzidos por microganismos geneticamente modificados

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Após a refeição microbiana…

•  Nós também temos que agradecer aos microrganismos por nossas condições sanitárias •  Todo o nosso lixo é quebrado e reciclado por bactérias e protozoários no tratamento de água e esgoto

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HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA

Histórico da Microbiologia

� Os microrganismos foram os primeiros seres vivos do nosso planeta

� Por que o homem só descobriu a existência dessas criaturas a partir do século XVII?

� Porque somente a partir do advento do microscópio foi possível observar estes seres minúsculos

�  O inglês Robert Hooke foi o primeiro a observar minúsculas lacunas presentes em uma fatia de rolha de cortiça, o que ele chamou de células

�  O alemão Antoni Van Leeuwenhoek foi o primeiro a observar microrganismos vivos através de microscópio rudimentar (conjunto de lentes de aumento) no século XVII

�  Leeuwenhoek fez desenhos do que ele chamou de “animáculos” presentes em fluidos como água da chuva, dentes e saliva.

Histórico da Microbiologia

Antoni van Leeuwenhoek (1684)

“Primeiro a observar microrganismos na saliva e na água através de lentes de aumento (300x)” - animáculos

Histórico da Microbiologia

Imagens captadas pelo microscópio de Leeuwenhoek (1673 – Royal Society of London) Microscópio

Leeuwenhoek (1632-1723)

Relatou as suas observações numa série de cartas dirigidas à Royal Society of London

Debate sobre a geração espontânea

� Até a segunda metade do século XVII muitos cientistas acreditavam que formas de vida poderiam aparecer espontaneamente da matéria morta

�  Esse processo foi chamado de Geração Espontânea

� A pouco mais de 100 anos as pessoas acreditavam facilmente que: ◦  Sapos e cobras poderiam nascer de solos úmidos ◦ Moscas poderiam nascer a partir de estrume ◦  Insetos nasciam de animais em decomposição

Idéias contrárias à Ger. Esp.

q Francesco Redi (1668) – demonstrou que larvas de insetos não surgiam espontaneamente de carne apodrecida:

�  Encheu três jarras com carne em decomposição e lacrou-as fortemente;

�  Encheu outras três jarras com carne em decomposição e deixou-as abertas ◦ Resultado: As larvas apareceram nas jarras abertas

Debate sobre a geração espontânea

�  Problema: alguns pensadores disseram que o ar fresco era necessário para geração espontânea

�  Redi então encheu três jarras com carne em decomposição e as cobriu com uma fina rede, ao invés de lacrá-la ◦ Resultado: As larvas apareciam somente se fosse

permitido que moscas deixassem seus ovos sobre a carne!

Debate sobre a geração espontânea

�  Problema: muitos cientistas ainda acreditavam que pequenos organismos como os animáculos de Leeuwnhoek eram simples o bastante para serem gerados a partir de materiais não-vivos

Debate sobre a geração espontânea

q O inglês John Needham (1745) – aqueceu caldos nutritivos e, antes de colocá-los em frascos cobertos, estes caldos eram resfriados.

�  Needham observou o crescimento microbiano após o resfriamento e considerou que os microrganismos desenvolviam-se espontaneamente a partir dos caldos

q Lazzaro Spallanzani (1765) – sugeriu que os microrganismos do ar poderiam ter contaminado o caldo nutritivo de Needham após a fervura;

Debate sobre a geração espontânea

�  Spallanzani demonstrou que caldos nutritivos aquecidos após terem sido primeiramente lacrados em um frasco não desenvolviam crescimento microbiano

�  Needham respondeu que a “força vital” necessária para a geração espontânea tinha sido destruída pelo calor

q Em 1858, o alemão Ruldolf Virchow criou o conceito da Biogênese = Novas células formam-se pela reprodução de outras células pre-existentes, por meio da divisão celular. "Omnis cellula ex cellula“.

Debate sobre a geração espontânea

q O famoso cientista francês Louis Pasteur demonstrou que os microrganismos estavam presentes no ar e podiam contaminar soluções estéreis, embora o próprio ar, por si só, não criasse micróbios

O experimento de Louis Pasteur

O experimento de Louis Pasteur

O experimento de Louis Pasteur continuação...

O experimento de Louis Pasteur

O experimento de Pasteur

�  Pasteur demonstrou que os micróbios podem estar presentes na matéria não-viva sobre sólidos, dentro de líquidos e no ar;

�  Demonstrou que a vida microbiana pode ser destruída pelo calor;

�  Elaborou técnicas para evitar contaminação de soluções nutritivas pelos microrganismos do ar;

�  Essas descobertas formam a base das Técnicas de assepsia, que impedem a contaminação por microrganismos e que são até hoje utilizadas

Mais contribuições de Pasteur

Por que as bebidas azedam quando armazenadas por longos períodos? ◦  Fermentação: microrganismos denominados

leveduras convertiam açúcares em álcool na ausência do ar. �  Solução: ferver as bebidas antes de armazenar

� Esse processo foi chamado de pasteurização

1857 – 1914: Idade de Ouro da Microbiologia

Por que as doenças acontecem na população?

Punição divina? The plague at ashdod – Nicolas Poussin - 1630

The Plague – Arnold Boecklin, 1898

Contribuições de Joseph Lister (1867)

�  Lister publicou um trabalho que revolucionou a cirurgia: a antissepsia cirúrgica.

�  O sistema de antissepsia baseava-se na esterilização pelo calor dos instrumentos cirúrgicos, e na pulverização de um agente antiséptico, o fenol ou ácido carbólico, sobre a área e roupas cirúrgicas.

�  O decréscimo acentuado das infecções bacterianas devido ao fenol , permitiu d e m o n s t r a r i n d i r e t a m e n t e q u e o s microrganismos provocavam doenças.

Ferdinand J. Cohn (1875)

� Contribui para a fundação da bacteriologia. Publica uma classificação das bactérias, usando o nome Bacillus pela primeira vez. Dá início ao jornal Beiträge zus

� Biologie der Pflanten, onde Koch mais tarde publica alguns trabalhos.

Heinrich Hermann Robert Koch

� Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1905.

� Descobertas dos agentes causadores: ◦  Carbúnculo ◦  Tuberculose ◦  Cólera ◦ Malária ◦  Entre outros estudos

Robert Koch – Teoria do germe da doença (1876)

Os postulados de Koch

�  1) O patógeno suspeito deve estar presente em todos os organismos doentes;

�  2) O patógeno deve ser isolado do hospedeiro e crescer em cultura pura;

�  3) O patógeno da cultura pura deve causar a doença quando inoculado em organismos sadios;

�  4) O isolado do último hospedeiro deve ser o mesmo patógeno do organismo inicial

Postulados de Koch

MICROBIOLOGIA X SAÚDE HUMANA

Contribuições de Edward Jenner �  Médico rural inglês que nasceu em 1794. �  Jenner sabia que os chineses praticavam a inoculação

profilática de varíola. �  Esta prática, introduzida na Inglaterra em 1717 por

Lady Montagu, era bastante perigosa, porque se baseava na inoculação de pús varioloso.

�  Jenner sabia que os aldeões que ordenhavam vacas com vacínia (varíola, bovina) contraíam a doença devido ao contato com as pústulas existentes nos úberes, mas não contraíam a varíola (humana).

�  Com base nisso, concebeu um método de prevenção da varíola baseado na vacínia

Contribuições de Edward Jenner �  Em 14 de Maio de 1796,

Jenner extraiu o líquido das pústulas de uma vaca com infectada e injetou esse líquido numa criança saudável (James Philips, 8 anos). A criança desenvolveu a pústula usual.

�  Em 1 de Julho, Jenner inoculou o vírus da varíola e a criança não desenvolveu a doença.

Contribuições de Louis Pasteur (1880)

�  Desenvolveu um método para atenuar a virulência de um microrganismo patogênico, o agente da cólera da galinha, de forma a que pudesse ser utilizado para imunizar a galinha e não causar a doença.

�  Com este trabalho, Pasteur estabelece: �  O conceito de que é possível proteger contra uma

doença inoculando o hospedeiro com uma estirpe atenuada do agente causador dessa doença.

�  Pasteur reconheceu que este conceito surgiu a partir do sucesso obtido por Edward Jenner na vacinação contra a varíola em 1798.

Contribuições de Robert Koch (1881)

�  Para ultrapassar as limitações dos meios líquidos, Koch desenvolveu meios sólidos de cultura de bactérias.

�  Primeiro utilizou fatias de batata cozida cortadas assepticamente;

�  Depois utilizou meios com gelatina como agente solidificante produzidos em placas de vidro de fundo achatado, desenvolvidas por Richard Petri.

�  Nestes meios tornou-se possível isolar bactérias em cultura pura.

Contribuições de Hesse (1882 +-)

�  Introdução do agar-agar como agente solidificante dos meios de cultura permitindo ultrapassar os problemas relacionados como:

�  As baixas temperaturas de fusão da gelatina �  Presença de enzimas proteolíticas em algumas

bactérias (gelatinases).

O nascimento da quimioterapia Após ter sido estabelecida a relação entre microrganismos e doenças, surgiu o interesse no descobrimento de substâncias que poderiam destruir um microrganismo patogênico sem prejudicar o hospedeiro

�  Quimioterapia: tratamento das doenças utilizando substâncias químicas

�  Drogas sintéticas: agentes quimioterápicos preparados de produtos químicos em laboratório

�  Antibiótico: quimioterápico produzido naturalmente por um ser vivo (bactéria, fungo, molusco...) capaz de matar outros microrganismos

A descoberta dos antibióticos �  A penicilina G é um antibiótico natural derivado de um

fungo, o bolor do pão Penicillium chrysogenum (ou P. notatum).

�  Foi descoberta em 15 de setembro de 1928, pelo médico e bacteriologista escocês Alexander Fleming e está disponível como fármaco desde 1941, sendo o primeiro antibiótico a ser utilizado com sucesso.

�  Em 1928 Alexander Fleming saiu de férias e esqueceu algumas placas com culturas de microrganismos em seu laboratório no Hospital St. Mary em Londres. Quando voltou, observou que algumas das placas estavam contaminadas com mofo, fato que é relativamente frequente.

�  Fleming colocou as placas contaminadas em uma bandeja para limpeza e esterilização.

�  Neste momento entrou no laboratório um colega, Dr. Pryce, e lhe perguntou como iam suas pesquisas.

�  Fleming apanhou novamente as placas para explicar alguns detalhes ao seu colega sobre as culturas de estafilococos que estava realizando, quando notou que havia, em uma das placas, um halo transparente em torno do mofo contaminante, o que parecia indicar que aquele fungo produzia uma substância bactericida.

Halo de inibição de crescimento

A descoberta dos antibióticos �  O assunto foi discutido entre ambos e Fleming decidiu fazer

algumas culturas do fungo para estudo posterior. O fungo foi identificado como pertencente ao gênero Penicilium, de onde deriva o nome de penicilina dado à substância por ele produzida

�  Em 1940, Howard Florey e Ernst Chain, de Oxford, retomaram as pesquisas de Fleming (comprovaram as suas qualidades antibióticas em ratos infectados) e conseguiram produzir penicilina com fins terapêuticos em escala industrial, inaugurando uma nova era para a medicina - a era dos antibióticos

Tecnologia do DNA recombinante

�  Os microrganismos podem atualmente ser manipulados para produzir grandes quantidades de substâncias de interesse. Ex: hormônios

�  Paul Berg demonstrou na década de 1960 que genes (fragmentos de DNA que codificam proteínas) de seres humanos ou de animais podem ser ligados ao DNA de uma bactéria

�  A molécula híbrida resultante foi o primeiro exemplo de DNA recombinante

Tecnologia do DNA recombinante

�  Quando DNA recombinante é inserido ao genoma da bactéria, esta passa a traduzir esse DNA e produzir a proteína desejada em grande quantidade

�  A tecnologia que utiliza a recombinação de fragmentos de DNA é chamada de Engenharia Genética ou Tecnologia do DNA recombinante

Classificação dos Organismos �  Lineu propôs o sistema binomial de nomenclatura,

que consiste em dois nomes: gênero (primeiro nome) e epíteto específico (segundo nome)

�  Os nomes científicos são escritos em Latim e podem descrever um organismo ou homenagear um pesquisador ◦  Ex.: Escherichia coli – O gênero é uma homenagem

ao pesquisador Theodor Escherich, enquanto o epíteto específico “coli” faz referência ao habiat desta bactéria: o cólon ou intestino grosso.

Classificação dos Organismos

q  Carolus Linnaeus (século XVIII) � Distribuiu os organismos vivos em 2 Reinos

(Plantae e Animalia)

q  Heackel- século XIX �  Propôs a criação de um 3o reino (Reino

Protista) no qual seriam incluídos bactérias, algas e protozoários.

Classificação dos Organismos

q  Whittaker - século XX � Propôs o sistema de 5 Reinos (Monera,

Protista, Fungi, Animalia e Plantae): baseado na forma de nutrição (fotossíntese, absorção ou ingestão).

Classificação

dos seres vivos segundo

Whittaker (1969)

Classificação dos Organismos

q  Woese- 1978 � Propôs a classificaçao dos organismos em

3 Domínios (Bacteria, Archaea e Eucarya): baseado em estudos de rRNA.

Classificação dos seres vivos “Carl R. Woese (1978)”