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Objetivos da Unidade:
- Apresentar uma visão introdutória da microbiologia e sua importância para o profissional de química;
- Introduzir uma breve história da microbiologia;
- Apresentar diversas maneiras pelas quais os microrganismos impactam nossas vidas;
- Abordar sobre como os organismos são nomeados e classificados.
Visão Geral do Mundo Microbiano
História da Microbiologia 1665: Primeiras observações O cientista inglês Robert Hooke (1635-1703) declarou, apó s observar uma fina fatia de cortiça em um microscó pio rudimentar, que as menores unidades estruturais da vida eram “pequenas caixas” ou “cé lulas”. Com o aprimoramento de seu microscópio, ele observou células individuais. A partir essa descoberta, deu-se iní cio à teoria de que todos os seres vivos eram formados por cé lulas (apesar de Hooke ainda nã o haver observado microrganismos vivos). Este evento é
considerado o marco do iní cio da teoria celular – a teoria de que todas as coisas vivas sã o compostas por cé lulas. 1668: Experimento das Jarras O biólogo italiano Francesco Redi (1626-1697) iniciou os trabalhos para demonstrar que as larvas nã o eram geradas espontaneamente. Ele encheu duas jarras com carne em decomposiçã o: a primeira foi deixada aberta, permitindo que as moscas depositassem seus ovos, que se desenvolveram em larvas; a segunda jarra foi selada e, assim, como as moscas nã o conseguiram atingir o interior do frasco, nenhuma larva se desenvolveu. Tais resultados representaram um forte golpe no antigo conceito de que as formas grandes de vida poderiam surgir a partir de formas nã o vivas. 1673: “Animáculos” O comerciante e cientista holandês Antoni Van Leeuwenhoek (1632-
- observou, pela primeira vez, as bacté rias e os protozoá rios, denominando-os de “animá culos”. Tal descoberta despertou o interesse de outros cientistas sobre a origem desses pequenos organismos. Alguns acreditavam na teoria da geraçã o espontânea (ou abiogênesse), ou seja, os organismos surgiriam espontaneamente a partir de maté rias mortas. Van Leeuwenhoek fez ilustraçõ es detalhadas dos organismos que encontrou na á gua da chuva, nas fezes e em material de raspado de dentes, identificados como representaçõ es de bacté rias e protozoá rios (Figura 1).
Figura 1 – Observaç õ es microscó picas de Anton Van
Leeuwenhoek
Fonte: Adaptada de TORTORA, 2017, p. Ao segurar seu microscó pio pró ximo a uma fonte de luz, conseguiu observar organismos vivos que eram muito pequenos para serem vistos a olho nu. (b) A amostra foi colocada na ponta do local ajustá vel e observada pelo outro lado atravé s da lente pequena, quase esfé rica. A
Em outro experimento, Pasteur colocou caldo em frascos de pescoço longo, com abertura terminal e dobrou os pescoços, formando curvas no formato de um “S” (Figura 2), eles então foram fervidos e resfriados. Após meses de observação, o meio de cultura nos frascos nã o apodreceu, nem tampouco apresentou sinais de vida: esse modelo ú nico criado por Pasteur permitia que o ar entrasse no frasco, mas o pescoço curvado capturava todos os microrganismos do ar que poderiam contaminar o meio de cultura.
Figura 2 – Experimentos de Pasteur Refutando a Teoria da
Geração Espontânea
VOCÊ SABIA?
Alguns dos frascos originais do experimento da Biogênese de
Pasteur, de 1858, ainda estã o em exposiç ã o no
Instituto Pasteur ( Rue du Dr Roux , 25 - 28), em Paris, França. Eles
foram lacrados, mas nã o mostram sinais de contaminaç ã o mais
de 150 anos depois da realizaç ã o do experimento!
Dessa forma, Pasteur demonstrou que os microrganismos podem estar presentes na maté ria nã o viva – sobre só lidos, em lí quidos e no ar. Al é m disso, provou que a vida microbiana pode ser destru ída pelo calor e que protocolos podem ser desenvolvidos visando bloquear o acesso dos microrganismos do ar aos meios nutrientes. Nascia, assim, a base das té cnicas de assepsia, prá tica rotineira para muitos procedimentos mé dicos e em laborat ó rios. 1857 a 1914: A idade de ouro da microbiologia Esse período é marcado por avanç os científicos robustos, proporcionados principalmente por Pasteur e pelo bacteriologista alemão Robert Koch (1843-1910): durante esse produtivo per íodo, os
microbiologistas estudaram as atividades quí micas de microrganismos, melhoraram as té cnicas de microscopia e de cultivo de microrganismos e desenvolveram vacinas e té cnicas cirú rgicas. A Figura 3 traz alguns dos principais eventos que ocorreram durante a Idade de Ouro da Microbiologia.
Figura 3 – Marcos da Idade de Ouro da Microbiologia
Fonte: TORTORA, 2017, p. 1860: A Teoria do Germe O cirurgião inglês Joseph Lister (1827-1912) aplicou a teoria do germe nos procedimentos mé dicos. Ele apoiou os estudos do mé dico hú ngaro Ignaz Semmelweis (1818-1865) que, em 1840, demostrou que os mé dicos que nã o faziam assepsia das mã os, transmitiam infecçõ es rotineiramente (febre puerperal ou em crianças recé m-nascidas) de uma paciente de obstetrí cia para outra. Sabendo que o fenol matava bactérias, Lister começou a tratar as feridas cirú rgicas com uma soluçã o desse composto, reduzindo drasticamente a incidência de infecçõ es e morte de pacientes – técnica adotada rapidamente por outros cirurgiõ es. 1876: Bacillus Anthracis Esse ano é marcado pela descoberta da primeira evid ê ncia de que bacté rias realmente causam doen ç as. O bacteriologista Robert Koch descobriu bacté rias em forma de bacilos - conhecidas atualmente como Bacillus anthracis - no sangue de um rebanho que morreu de antraz. Essa bactéria foi cultivada em meio de cultura e posteriormente foram injetadas amostras em animais saud á veis, que vieram a falecer. Koch isolou a bacté ria presente no sangue e a comparou com a bact é ria originalmente isolada, descobrindo que as duas amostras continham a mesma bacté ria: surgiram os Postulados de Koch. Décadas de 1950 e 1960: DNA e RNA
Aplicações da Microbiologia A ciência da Microbiologia trata da diversidade e evoluçã o das cé lulas microbianas, abrangendo a razão e como os diferentes tipos de microrganismos surgiram. Engloba, ainda, a ecologia, e por isso també m estuda o local onde os microrganismos vivem na Terra, como eles se asso- ciam e cooperam uns com os outros, e o que eles fazem no mundo em geral, no solo, na á gua, em animais e plantas. Basicamente, a ciência da microbiologia gira em torno de dois temas que estã o interligados: o entendimento da natureza e funcionamento do mundo microbiano, e a aplicaçã o do nosso entendimento acerca da microbiologia para benefí cio da humanidade e do planeta Terra, utilizando cé lulas microbianas para analisar os processos fundamentais da vida. Salvatierra (2014) nos ensina que a Microbiologia abrange um estudo em diferentes áreas por meio da pesquisa de microrganismos contaminantes, visando minimizar os seus efeitos e utilizá-los a favor da humanidade, seja do homem em si, ou do meio ambiente. Os principais campos de aplicação da Microbiologia incluem: Medicina Neste campo, a Microbiologia atua em todos os processos associados à pesquisa, na identificação e isolamento de microrganismos causadores de diversas enfermidades, com destaque para as doenças infectocontagiosas, buscando primeiramente o diagnóstico, visando auxiliar em seu tratamento. A Salmonella , por exemplo, é uma bactéria capaz de causar graves doenças em humanos. A forma mais comum da transmissão da doença é via ingestão de alimentos contaminados e maus hábitos de higiene. Atuando sobre o intestino das pessoas, onde se multiplica, pode entrar na corrente sanguínea, atingindo outros órgãos do corpo, podendo provocar desde graves infecções, até mesmo a morte.
Figura 4 – A bactéria Salmonella (em vermelho) invade células
humanas cultivadas para estudo em laboratório
Fonte: Wikimedia Commons Alimentos e Laticínios A Microbiologia é fundamental para os processos de fermentação de produtos que consumimos em nosso dia a dia, tais como a cerveja, o vinho, o queijo, as rações, bem como na produção e controle de qualidade dos alimentos. Agricultura Seja atuando na manutenção da fertilidade do solo, através da ciclagem de nutrientes, seja melhorando a estrutura do solo, apoiando o crescimento saudável das plantas e degradando poluentes orgânicos, os microrganismos do solo (bactérias, actinomicetos, fungos, protozoários e vírus.) são de fundamental importância no sucesso das lavouras agrícolas. De forma coletiva, os microrganismos do solo desempenham um papel essencial na decomposição da matéria orgânica, fixação biológica do nitrogênio e controle de patógenos. Além disso, apresentam função estrutural do solo (estrutura física), por meio da excreção de substâncias capazes de cimentar os agregados do solo, evitando erosões. Indústria
Figura 5 – Microbiologistas no Lago Vida, na Antártida,
investigando bactérias do Grupo Metabólico Psicrófilo Amantes
do Frio
Fonte: MADIGAN, 2016, p. É normal associarmos os microrganismos apenas a infecç õ es incô modas, ou ainda a transtornos comuns, como alimentos deteriorados, e até mesmo a outras doenç as mais severas, como a hepatite e a Aids. Entretanto, devemos aprender que a maioria desses pequenos organismos, na verdade, auxilia de fato na manutençã o do equilí brio da vida no nosso meio. Os microrganismos marinhos e de á gua doce, por exemplo, são a base da cadeia alimentar em oceanos, lagos e rios; os micró bios presentes no solo participam da degradaç ã o de resí duos, bem como na incorporaç ã o do gá s nitrogê nio do ar em compostos orgânicos,
reciclando, portanto, elementos quí micos do solo, á gua e ar; alguns micró bios desempenham um papel fundamental na fotoss íntese, processo gerador de oxigênio e alimento que é crucial para a vida na Terra; os humanos (e muitos outros animais) dependem dos micró bios em seus intestinos para o processo da digestã o e a sí ntese de algumas vitaminas necessárias ao corpo, como certas vitaminas do complexo B (para o metabolismo) e a vitamina K (para a coagulaç ã o do sangue). Não podemos nos esquecer das inúmeras aplicações industriais que os microrganismos apresentam: participam da sí ntese de uma série de produtos qu ímicos, como vitaminas, á cidos orgâ nicos, enzimas, alcoó is, além de muitos fá rmacos; na indú stria alimentícia, os micró bios participam da produçã o de vinagre, chucrute, picles, molho de soja, queijo, iogurte, pã o, além de bebidas alcoó licas. Com o advento das técnicas de manipulação das enzimas dos micró bios, esses microrganismos tornaram-se capazes de produzir substâncias que normalmente nã o sintetizariam, incluindo celulose, substâncias que auxiliam a digestã o e outras que favorecem a limpeza de drenos, alé m de produtos terapêuticos importantes, como a insulina. No tratamento de esgoto , o papel dos microrganismos é fundamental no que se refere à reciclagem de á gua, com vistas a prevenir a poluição dos rios e oceanos. É sabido que o esgoto doméstico é uma das maiores fontes de poluiç ã o, sendo formado por excrementos humanos, á gua suja, lixos industriais e á guas fluviais. Os tratamentos combinam vá rios processos fí sicos com a açã o de micró bios bené ficos: após os só lidos maiores serem removidos (papel, madeira, vidro, cascalho e plá stico), o que sobra é composto por lí quidos e materiais orgânicos que as bacté rias convertem em produtos secundá rios, como dió xido de carbono, nitratos, fosfatos, sulfatos, amô nia, sulfito de hidrogênio e metano. Na década de 80, os cientistas começ aram a utilizar micró bios para limpar poluentes e resí duos tó xicos produzidos por vá rios processos industriais. Algumas bacté rias utilizam poluentes como fontes de energia, enquanto outras produzem enzimas que quebram as toxinas em substâncias de baixa ou nenhuma toxidade. Trata-se da biorremediação: as toxinas podem ser removidas de poços subterrâneos, derramamentos quí micos ou de petróleo, além de depó sitos de resí duos tó xicos. Este processo pode ser realizado in situ, ou seja, diretamente no local onde haja contaminação, ou ex situ, fora da região da contaminação. A Figura 6 ilustra as diversas técnicas de biorremediação que podem ser utilizadas.
Bioventilação: são gases que, uma vez adicionados ao local, estimulam a atividade de degradação dos microrganismos ali presentes;
- bullet Landfarming: trata-se da adição de resíduos na superfície do solo para biodegradação microbiana, promovendo aeração do ambiente. Normalmente adicionam-se, em conjunto, corretivos, fertilizantes e microrganismos selecionados. SAIBA MAIS
A bacté ria Bacillus thuringiensis , geneticamente modificada, é
extensivamente utilizada nos Estados Unidos para o controle de
pragas, como a lagarta-da-alfafa, lagarta-do-algodoeiro,
brocas-do-milho, lagarta-do-repolho, lagarta-das-maç ã s e
lagarta-enroladeira de folhas de árvores frut íferas. A bacté ria é
pulverizada sobre as plantaçõ es atacadas por esses insetos,
produzindo cristais proteicos tó xicos para o sistema digestó rio
deles!
Embora a biotecnologia tenha sido utilizada de diferentes maneiras por sé culos, as té cnicas se tornaram mais avançadas nas ú ltimas dé cadas, expandindo o potencial de bacté rias, ví rus, cé lulas de leveduras e outros fungos, para serem utilizados como fá bricas bioquí micas em miniatura. Dessa forma, culturas de cé lulas animais e vegetais, assim como animais e plantas intactos, s ã o utilizados como organismos e cé lulas recombinantes. As té cnicas de DNA recombinante têm sido utilizadas para produzir um grande nú mero de proteí nas naturais, vacinas e enzimas. Na terapia gênica (a inserçã o de um gene ausente ou a substituiçã o de um gene defeituoso em c é lulas humanas), pacientes estão sendo tratados com deficiência de adenosina desaminase (ADA); em casos de fibrose cí stica; na deficiência do receptor LDL (“ low- density lipoprotein ”), que faz com que o LDL permaneça no sangue em altas concentraç õ es, originando placas de gordura nos vasos sanguí neos, o que aumenta o risco de arterosclerose e doenç a cardí aca coronariana. Alé m das aplicaçõ es mé dicas, as té cnicas de DNA recombinante també m sã o utilizadas na agricultura para melhorar a aparência, o sabor e para aumentar a durabilidade de frutos e vegetais nas prateleiras, bem como no aumento da resistência à seca, ao ataque de insetos, às doenças microbianas e ao aumento da tolerância a altas temperaturas de plantas cultivadas. Os Micróbios e as Doenças Humanas Microbiota Normal
TORTORA (2017) nos lembra que vivemos, do nascimento à morte, em um mundo cheio de micró bios, e temos dentro do nosso corpo uma enorme variedade de microrganismos – é a microbiota normal ou flora , como mostra a Figura 7 – que não nos prejudica de forma alguma. Ao contrário, em alguns casos, pode ser até benéfica, seja protegendo-nos contra doenç as, impedindo o crescimento elevado de micr ó bios nocivos, seja produzindo substâ ncias ú teis, como a vitamina K e algumas vitaminas do complexo B. Por outro lado, sob circunstâncias específicas, a microbiota normal pode nos deixar doentes ou infectar.
Figura 7 – Diferentes tipos de bactérias constituintes da
Microbiota normal sobre a superfície da língua humana
Fonte: TORTORA, 2017, p. 15 A pergunta que se pode fazer é: quando um micró bio é bem-vindo para a saú de humana e quando ele é um vetor de doenç as? De fato, a diferença entre estar saudável ou ter uma doença está intimamente ligada a um equilí brio entre as defesas naturais do corpo (nossa resistência) e as propriedades dos microrganismos em originar doenç as. Naturalmente, o corpo humano tem resistências importantes: barreira da pele, das membranas mucosas, dos cí lios, do á cido estomacal e dos compostos antimicrobianos (como os interferons). Nosso sistema imune, muitas vezes, pode destruir os micr ó bios.
intoxicaç õ es alimentares e infecç õ es em feridas cirú rgicas, sendo també m uma importante causa de infecçõ es hospitalares. A encefalite do Oeste do Nilo (WNE, West Nile Encephalitis ) caracteriza- se por ser uma inflamaçã o cerebral causada pelo ví rus do Oeste do Nilo. Primeiramente diagnosticada em Uganda, na regiã o oeste do Nilo, em 1937, em 2007 infectou cerca de 3.600 pessoas em 43 estados americanos. Transportado por aves, o vírus é transmitido entre pá ssaros por mosquitos, e da mesma forma para seres humanos e cavalos. Paí ses em todo mundo, em 1996, se recusaram a importar carne bovina do Reino Unido, onde centenas de milhares de reses bovinas (nascidas apó s 1988) foram sacrificadas, devido a uma epidemia de encefalopatia espongiforme bovina, tamb é m chamada de EEB, ou doença da vaca louca. Estudos sugeriram que a fonte da doença teria sido uma raçã o de gado preparada a partir de ovelhas infectadas com a sua pró pria vers ã o da doença. A Escherichia Coli é uma habitante normal do intestino grosso dos vertebrados, incluindo seres humanos, e sua presença é bené fica, pois ajuda na produçã o de certas vitaminas, participando da digest ã o de alimentos que nã o seriam digeridos sem sua presença. No entanto, uma linhagem chamada de E. coli O157:H7, causa diarreia sanguinolenta quando cresce nos intestinos. Em 1996, cerca de 9 mil pessoas no Japã o ficaram doentes, ocorrendo sete óbitos. Recentemente, surtos de E. coli O157:H7 nos Estados Unidos, relacionados ao consumo de carne malpassada e bebidas nã o pasteurizadas, levaram os ó rgã os de saú de a solicitarem o desenvolvimento de novos mé todos de detecçã o da bacté ria nos alimentos. Em 1995, um té cnico de laborató rio de um hospital na Repú blica Democrá tica do Congo (RDC), que havia apresentado febre e diarreia sanguinolenta, foi submetido a uma cirurgia por suspeita de intestino perfurado e, poucos dias depois, enfermeiros do mesmo hospital desenvolveram sintomas similares, espalhando-se rapidamente. Ao té rmino da epidemia, 315 pessoas haviam contraí do a febre hemorrá gica Ebola, ou FHE, e dessas, 75% foram a ó bito. O ví rus Ebola foi assim denominado devido ao rio Ebola da Rep ú blica Democrá tica do Congo. Em 2014, a Organizaçã o Mundial de Saú de declarou um surto do ví rus Ebola na Á frica Ocidental. Em 1989 e 1996, surtos causados por outro ví rus Ebola, que nã o estava associado à doença em seres humanos, ocorreram em macacos que haviam sido importados das Filipinas para os Estados Unidos. Em 2004, um surto matou 227 pessoas.
Em 1981, a sí ndrome da imunodeficiência adquirida (AIDS, Acquired Immunodeficiency Syndrome ) chamou a atençã o da comunidade científica pela primeira vez, quando um jovem homossexual morreu de um tipo até então raro de pneumonia, conhecida como pneumonia por Pneumocystis. Esses casos foram rapidamente correlacionados a uma forma rara de câncer, o sarcoma de Kaposi, entre jovens homossexuais do sexo masculino. O ví rus, hoje chamado de ví rus da imunodeficiência humana (HIV, Human Immunodeficiency Virus ), descoberto pelos pesquisadores, ataca e destró i as cé lulas T-CD4+, um linfó cito importante para as defesas do sistema imune. Em 2019, a Organizaçã o Mundial de Saú de (OMS) estimou que mais de 38 milhõ es de pessoas no mundo todo vivem com HIV/Aids, sendo que dessas, 690 mil vieram a óbito em decorrência de doenças relacionadas à Aids. Os primeiros relatos do coronavírus (Covid-19, Figura 8) foram feitos na virada do ano 31/12/2020, no mercado de frutos do mar da cidade de Wuhan, localizada na China, sendo que a incidência aumentou de maneira exponencial nas primeiras semanas. Acredita-se que o vírus Sars-CoV-2 possua como hospedeiros determinadas espécies de morcegos e o pangolim, um animal consumido como alimento exótico em algumas regiões da China. Apresentando um período de incubação entre 4 e 14 dias, a doença possui uma letalidade global de 3,4%, que pode aumentar de acordo com a idade da pessoa acometida e com as comorbidades preexistentes.
Figura 9 – Vida na Terra por meio do tempo e origem dos
domí nios celulares
Fonte: MADIGAN, 2016, p. (A) A vida celular encontrava-se presente na Terra há cerca de 3, bilhõ es de anos (bia). (B) Os três domí nios dos organismos celulares
Observa-se que os eventos evolutivos culminaram em três linhagens principais de cé lulas microbianas, chamadas de domí nios: Bacteria, Archaea e Eukarya (Figura 9b). A seleçã o natural preencheu cada ambiente na Terra com microrganismos cuja ancestralidade pode ser rastreada até um desses três domí nios. Diversidade Microbiana A avaliaçã o da histó ria filogené tica do mundo microbiano só foi possí vel apó s o surgimento de ferramentas adequadas. As descobertas realizadas nos ú ltimos 50 anos (ou mais), têm demonstrado nitidamente que cada cé lula conté m um registro de sua histó ria evolutiva incorporado a seus genes. Atualmente, já está bem desenvolvida a tecnologia para revelar a filogenia de um microrganismo a partir dos seus genes de RNA ribossomal e, a partir de apenas algumas cé lulas, pode-se construir uma á rvore filogené tica que mostra a posiçã o de qualquer organismo em relaçã o aos seus adjacentes (Figura 10a). À medida em que a á rvore filogené tica da vida vai sendo constru ída a partir dos genes do RNA ribossomal (Figura 10b), observa-se a existência de milhares de espé cies de bacté rias e arqueias, bem como centenas de espé cies de eucariotos microbianos.
Figura 10 – Relaç õ es Evolutivas e a Árvore da Vida Filogené tica
Fonte: MADIGAN, 2016, p. (A) A tecnologia por trá s da filogenia do gene do RNA ribossomal. 1: O DNA é extraí do das cé lulas. 2: Có pias do gene que codifica o RNAr sã o produzidas por meio da reaçã o em cadeia da polimerase (PCR). 3,4: O gene é sequenciado e a sequência obtida é alinhada com sequências de
