tema_01 bacteriologia
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Tema 1 1
Tema 1Los procariotas en el contexto de la diversidad biológica. Caracteres distintivos. Los taxones bacterianos.
¿ Bacteria = Procariota
?Etimología
Sentido biológico Archaebacteria
vs
Eubacteria
80’sArchaea
vs
Bacteria
90’s
≠
Tema 1 2http://www.bacterialphylogeny.com/
Tema 1 3
Taxonomía
Semántica¿ Bacteria = Procariota
?Dominios Archaea y Bacteria
http://www.bacterio.cict.fr/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/taxonomyhome.html/
LPSNList
of
Prokaryotic
names
with
Standing
in Nomenclature
http://www.arb-silva.de/projects/living-tree/
Tema 1 4
Caracteres generales que definen a los procariotas (bacterias)
• Organización celular
-
Ausencia de compartimentos rodeados de doble membrana lipídica
(núcleo, RE, ...)
-
Funciones vectoriales en la membrana citoplasmática (ATPasas, cadenas de transporte de electrones*)
-
Tamaño pequeño *
-
Unicelularidad
*bacterias filamentosas, mixobacterias, actinomicetos
-
Sin diferenciación celular *biopelículas, cianobacterias, endosporas, ...
• Organización del material genético
-
Un cromosoma circular *pueden tener 2 o más, además también existen cromosomas lineales
-
Un único origen de replicación
-
Presencia común de operones
• Mecanismos de trascripción y traducción
-
mRNAs
no modificados, a menudo poligénicos, con sitio Shine-Dalgarno* para unión al ribosoma, que se leen inmediatamente y carecen de intrones
tipo spliceosomas
-
Ribosomas 70S con rRNA 5S, 16S y 23S
• Otros caracteres moleculares
-
Poseen sistemas de restricción tipo II
-
Proteína de división celular ftsZ
-
Transferencia de material genético por conjugación
Tema 1 5
Otras peculiaridades de los procariotas (bacterias)
•
Muchos viven permanentemente en anaerobiosis. Mecanismos:
-
Fermentación (carbohidratos, aminoácidos, bases nitrogenadas, ácidos orgánicos, subproductos de otras fermentaciones)
-
Respiración anaerobia (aceptores de e-
: NO3-, SO4
2-, Fe3+, S0, ...) de forma obligada o de forma facultativa
-
Metanogénesis. Consumo de H2 en anaerobiosis produciendo CH4 como residuo (algunas arqueas)
-
Fototrofía anoxigénica. Dependiente de luz
Los hábitats anaerobios de la biosfera están dominados por bacterias
•
Quimiolitotrofía. Uso de compuestos químicos inorgánicos reducidos (NH4+, NO2
-, H2
S, S2-, S0, S2
O32-,
Fe2+, H2
, CO) como fuente de energía y poder reductor
En el ciclo biogeoquímico de N y S el reciclado de estos compuestos se lleva a cabo por bacterias
•
Fotoheterotrofía. Consiste en el aprovechamiento de la luz para generar energía y el uso de compuestos orgánicos para el crecimiento (biosíntesis)
•
Vida (adaptación/tolerancia) en ambientes extremos
-
Temperatura (< 0ºC, 113ºC)
-
pH (0, 11)
-
Hipersalinidad
(36%)
Además de los casos de adaptación existen casos muy significativos de tolerancia
•
Síntesis de compuestos característicos: mureína, lipopolisacáridos, PHA
•
Degradación de compuestos difíciles: celulosa, hidrocarburos, polifenoles, ...
Tema 1 6
Los taxones bacterianos
El esquema de categorías en Bacteriología se desarrolló tomando como modelos la Zoología y la Botánica
Dominio* Archaea BacteriaDivision
o Phylum* Euryarchaeota ActinobacteriaClase Halobacteria ActinobacteriaSubclase ActinobacteridaeOrden Halobacteriales ActinomycetalesSuborden MicrococcineaeFamilia Halobacteriaceae MicrobacteriaceaeGénero Halobacterium ClavibacterEspecie Halobacterium salinarum Clavibacter michiganensis(Subespecie) sepedonicus
*No recogido en el Código Bacteriológico (International Code of Nomenclature of Bacteria)Términos infrasubespecíficos
(Apéndice 10): biovar
(mejor que biotype, physiological
type); chemovar; chemoform
(mejor que chemotype); cultivar; forma specialis
(mejor que special
form); morphovar
(mejor que morphotype); pathovar
(mejor que pathotype); phagovar
(mejor que phagotype, lysotype); phase; serovar
(mejor que serotype); state.
In contrast
to
prokaryotic
nomenclature, there is no such thing as an official classification of prokaryotes because
taxonomy
remains
a matter
of
scientific
judgment
and
general agreement.The
closest
approximation
to
an
"official" classification
of
prokaryotes
would
be one
that
is
widely
accepted
by the
community
of
microbiologists. The
most
widely
accepted
classification
is
the
"Taxonomic
Outline
of
the
Prokaryotes" initiated
in the
early
1990s in the
editorial office
of
Bergey's
Manual Trust
as a preliminary
step
in organizing
the
content
of
the
second
edition
of
Bergey's Manual of Systematic Bacteriology.The
latest
"Taxonomic
Outline", now
known
as "Taxonomic
Outline
of
the
Bacteria and
Archaea" (TOBA) and
older
archive versions
of
the
document
are available
online.
Tema 1 7
La especie procariotaLa definición en plantas y animales (aislamiento reproductivo) no sirve para
procariotas
Definición “tradicional”: Conjunto de cepas que comparten entre sí
un número significativo de características y que difieren de otras cepas en algunos de esos caracteresEn la práctica no siempre es fácil de aplicar
Definición “actual”: Conjunto de cepas con un valor de hibridación de DNA genómico igual o mayor a 70%Empíricamente se ha constatado que cuando entre dos cepas existe más de un 3% de diferencia entre las secuencias de sus 16S rDNA el porcentaje de hibridación DNA-DNA de sus genomas es inferior a 70% y por tanto pertenecen a especies distintas (Amann
et al., 1992; Collins
et al., 1991; Fox
et al., 1992; Martínez-Murcia & Collins, 1990; Martínez-Murcia et al., 1992,
Stackebrandt & Goebel, 1994; Stackebrandt & Ebers, 2006)
Sin embargo, a la inversa no es posible hacer ninguna afirmación
Tema 1 8
Géneros y taxones superioresClasificación filogenéticaProblemas metodológicos (taxonomía polifásica)Cronómetros moleculares
Zuckerkandl
y Pauling
(1965) Molecules
as documents
of
evolutionary
history. J. Theoret. Biol. 8:357-366
Molécula cuyos cambios en la secuencia ocurren al azar a lo largo del tiempo
Idealmente permite deducir la distancia evolutiva entre dos organismos en función de las diferencias en las secuencias de nucleótidos para ambas moléculas. Para ello deben darse unas circunstancias:
• Aleatoriedad en los cambios (para que produzca una cadencia de reloj)
• Constancia funcional (necesaria para obtener una amplitud de registros)
• Coexistencia de regiones variables y conservadas
El rRNA no sólo cumple estos requisitos sino que además:
• Es universal
• Se pueden aislar fácilmente y secuenciar directamente (bajo coste)
• Se desarrolla con gran rapidez una amplia colección de secuencias de acceso público (16S rDNA)
Diversidad procariotaLa gran anomalía del recuento en placa
Sólo una pequeño porcentaje de las células que se observan al microscopio dan lugar a colonias en placa (agua de mar 0,001-0,1%, agua dulce 0,25%, suelo 0,3%, fangos activados 1-15%)
Este fenómeno se justificaba asumiendo que la mayoría de las células vistas al microscopio están muertas o en estado VNC (viable no-cultivable)
La realidad es que aún hay muchos taxones bacterianos que nunca han sido cultivados en el laboratorio
Tema 1 9
Controversias en torno a la filogenia molecularLa “raíz” del árbol filogenético universal –
El último ancestro comúnImposible de resolver con una sola molécula (no tenemos outgroup)
Puede deducirse empleando genes parálogos
surgidos tras una duplicación previa a la aparición del último ancestro común (p. ej.
factores de traducción EF-TU y EF-G, subunidad a y b de la ATP sintasa
confirman la división en tres dominios)
Correlación con el tiempoCarecemos de un registro fósil
La ocurrencia de substituciones nucleotídicas
no es un fenómeno linear a lo largo de toda la evolución, ni común a todas los “cronómetros moleculares”, ni a todos los grupos de organismos
Pérdida de información: plesiomorfismos
y posiciones no-homólogas
Solamente puede deducirse el orden relativo y con algunas limitaciones
Filogenias discordantes y transferencia horizontal de genesLa discordancia entre árboles filogenéticos derivados de diferentes moléculas no implica necesariamente un fenómeno de transferencia horizontal
La transferencia horizontal de genes existe pero no es tan elevada como para desdibujar la historia de los organismos actuales
Papel del 16S rRNA en identificación y taxonomíaFilogenia de un solo gen
Precauciones y optimización de la información. Importancia en el
futuro
Alternativas al 16S rRNAAnálisis multilócico
(MLSA): resuelven mejor las relaciones evolutivas recientes,
pero …
no son universales e incrementa el coste
Genomas completos (o parciales): tienen innumerables ventajas
pero …
aun no disponemos de una aproximación consensuada y el coste es aún alto
Tema 1 10
Caracterización e identificación de procariotasCaracterizar = recopilar datos que aporten una descripción de las propiedades de un cultivo puro
No es posible describir TODAS las propiedades de una cepa pero cuantas más mejor
Identificar = casar las propiedades de un cultivo puro con las de una especie válida (aceptada) y bien caracterizada
En su sentido más aplicado persigue economizar tiempo y dinero pero sin renunciar a la precisión
Sistemática = estudio científico de los organismos que persigue su caracterización y su clasificación en un esquema ordenado
Clasificación Nomenclatura
Nueva descripciónIdentificación
Descripción
Morfología Ecología Fisiología Bioquímica Genética Otros
Taxonomía
NoSí
Datos
Correspondencia
Tema 1 11
Nombres de procariotas con validez taxonómica
AL
Approved
Lists
of
Bacterial Names
(Skerman
et al., 1980)
~ 2500 nombres
retenidos
entre
las
varias
decenas
de miles de nombres
reflejados
en la bibliografía
Los no recogidos
perdieron
su
estatus
en la nueva
nomenclatura
bacteriana
VP
International Bulletin of Bacteriological Nomenclature and Taxonomy (1950-1965)
International Journal of Systematic Bacteriology (1966-1999)
International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2000-
)
VL
Validation
Lists
(en IJSB/IJSEM)
Publicación efectiva en cualquier medio. Ej. Systematic and Applied Microbiology
Los nombres sin validez taxonómica deben escribirse entrecomillados
http://www.bacterio.cict.fr/
Requisitos formales: etimología, descripción, tipo
Tema 1 12
Taxonomía polifásica
Caracteres microscópicosForma celularTamaño (diámetro)Movilidad / flagelaciónEsporasInclusiones celulares (S0, vacuolas de gas, volutina, cuerpo paracristalino, ...)Cubiertas celularesOrgánulos (clorosomas, ficobilisomas, carboxisomas, …)
Caracteres macroscópicosMorfología colonial/suspensión: color, tamaño, forma, mucosidad, olor, deslizamiento, ...)
Composición químicaTipo de mureína
Lípidos polares
Ácidos grasos
Tipo de quinona
Contenido G+C del DNA (5% intraespecie, 10% intragénero)
Bacterioclorofila
Lipopolisacáridos
Filogenia molecularSecuencia 16S rDNA
House-keeping
genes
Otros constituyentes celularesPatrones electroforéticos
de proteínas
Patrones electroforéticos
de enzimas
Poliaminas
Sondas para ácidos nucleíco: hibridación (DNA-DNA, FISH, blotting, ...), amplificación
Fisiología y MetabolismoLímites fisiológicos de crecimiento
Tipo de metabolismo (rutas)
Requerimientos especiales
Actividad enzimática
EcologíaRelaciones con el ambiente
Relaciones con otros organismos
Susceptibilidad a bacteriofagos, bacteriocinas
y otros agentes antimicrobianos
Tema 1 13
Riqueza morfológica y fisiológica procariotaExisten (a 2-9-11) 9211 especies procariotas Sólo representan la punta del iceberg
Tamaño celularDiámetro próximo a 1 μmDehalococcoides ethenogenes, discos de 0.4–0.5 μm de
diámetro y 0.1–0.2 μm de altura
Epulopiscium fishelsonii, 80 μm de diámetro, hasta 600 μm de largo
Thiomargarita, esfera de casi 1 mm
de diámetro
No se conocen arqueas “gigantes”
Thiomargarita namibiensis
Tema 1 14
Streptococcus lactis
Lactobacillus gasseri
Stomatococcus mucilaginosusCaulobacter
Sphaerotilus natans Streptomyces sp.
Sarcina maxima
Amoebobacter pedioformis
Prosthecomicrobium
Simonsiella
Cylindrospermum “Bacteria”
cuadrada
Rhodomicrobium
Asticcacaulis
Forma celular y agrupamientosVisión clásica: bacilos, cocos y espirales
Thiopedia rosea
Tema 1 15
Cubiertas celularesa) Cápsulas
Matriz de glicocáliz
(biopelículas, agregados):Polipéptidos (Bacillus)Polisacáridos (gram-positivos y gram-negativos)
b) Pared celularCapa de peptidoglicano con ácido murámico
(gruesa en gram-positivos, fina en gram-negativos)Sin pared celular: MycoplasmaCon pared celular de proteínas: Chlamydia y PlanctomycetesCapa S de proteínas: Muchas arqueas (y en la parte más externa de algunas bacterias)Capa S recubierta de polisacáridos: Methanosarcina y HalococcusPseudomureína: Methanobacteriales y Methanothermales
Movilidadpor flagelos (swimming
motility): polar(es), bipolares, peritricos, laterales, en penacho, envainados (espiroquetas)por arrastre en masa (swarming
motility): especies de Proteus, Vibrio, ...por pulsos (twitching
motility): algunos cocos y cocobacilos gram-negativos (Neisseria). Se debe a pili
tipo IV.por deslizamiento (gliding
motility)
Tema 1 16
División celularFisión binaria transversalGemaciónExtensión y fragmentación del micelio (actinomicetos)Fisión múltiple (Dermocarpa y otras cianobacterias) División asimétrica (Caulobacter)
Ciclos de vidaCaulobacter presenta células nadadoras y células ancladasMixobacterias, mixosporas
(cuerpo fructífero) y células móviles Endospora
/ célula vegetativa (Bacillus, Clostridium, ...)ConidiosporasEsporangiosporas, ...Exosporas, azotocistos, ...Clamidias
mixobacterias
Tema 1 17
Diversidad metabólica
Fermentación anaeróbica (utilización de compuestos orgánicos en ausencia de aceptores de electrones externos)Anaerobios estrictosAnaerobios obligados aerotolerantesAnaerobios facultativos
Respiración anaeróbica (utilización de compuestos orgánicos en presencia de aceptores de electrones externos diferentes al oxígeno)Ej.: Nitrato y nitrito, Fe(III), compuestos oxidados de S y S0, CO2
, ...
Metabolismo aerobio
Litotrofía (utilización de compuestos inorgánicos como donador de electrones externos para la obtención de energía)
Metanotrofía (utilización de metano como donador de electrones externos para la obtención de energía)
Fototrofía (utilización de luz como fuente de energía)
Fijación autotrófica de CO2
ciclo de Calvinciclo de los ácidos tricarboxílicos
reversoacetogénesisruta del hidroxipropionato
Fijación de nitrógeno
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