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EVOLUCION, SISTEMATICA Y TAXONOMIA MICROBIANAS

Qué interesa:

Orígen de la diversidad microbiana

Cómo puede determinarse la historia evolutiva de los microorganismos actuales. Propiedades de la Tierra primitiva en la que surgió la vida.

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Evolución de la Tierra y primeras formas de vida

Orígen de la Tierra

Edad aproximada de 4.600 millones de años.A sido determinada por métodos radioactivos.

Las rocas más antiguas datan de 3.800 millones de años y son del tipo sedimentarias, volcánicas y carbonatos.

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Pruebas de la existencia de vida microbiana en la Tierra primitiva.

- microfósiles de las rocas más antiguas parecen bacterias sencillas, con forma de bacilo.

-Los estromatolitos son tapetes microbianos fósiles constituidos por capas de procariotas, principalmente filamentosos, que contienen sedimiento atrapado. Los antiguos formados por bacterias fototróficas filamentosas (bacterias rojas y verdes). Los modernos por cianobacterias filamentosas (O2)

-Los procariotas originaron una diversidad morfológica impresionante mucho antes del

advenimiento de la célula eucariota moderna.

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EVOLUCION, SISTEMATICA Y TAXONOMIA MICROBIANA


Condiciones de la Tierra primitiva

La atmófera de la tierra primitiva no tenía grandes cantidades de O2. Además de agua, había varios gases, siendo los más abundantes CH4 , CO2 , N2 y NH3. También había trazas de CO e H2, así como gran cantidad de sulfuro, en una mezcla de H2S y FeS. También es probable que en la Tierra se formase una gran cantidad de HCN.

Es probable que durante los primeros 500 millones de años, la temperatura de la superficie de la Tierra superase los 100°C.

Las primeras formas de vida debían ser muy resistentes a las altas temperaturas, pareciéndose a los procariotas hipertermófilos que viven hoy en ambientes termales.

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El orígen de la vida.

Los primeros compuestos bioquímicos se formaron por síntesis abiótica y a partir de ellos se originó la vida.

Hoy día está bien establecido que es posible sintetizar moléculas de importancia biológica sometiendo a intensas descargas de energía una mezcla de gases.

Fuentes de energía disponibles en la Tierra primitiva tenemos UV, descargas eléctricas, radioactividad y actividad volcánica.

Llegó a acumularse una rica mezcla de compuestos orgánicos que persistieron por años y habrían preparado la Tierra para la evolución biológica.

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El orígen de la vida.

Una de las principales dificultades que presentan la mayoría de las hipótesis sobre la síntesis prebiótica consiste en explicar cómo pueden haberse producido las macromoléculas espontáneamente a partir de sus monómeros constituyentes en un medio acuático.

Los ácidos nucléicos y proteínas se polimerizan mediante reacciones de Deshidratación ; por lo tanto, resulta difícil concebir que , sin la presencia de enzimas, las macromoléculas se hubieran formado en un ambiente acuático (hipótesis de superficies anhidras como arcilla, pirita o cristales basálticos)

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Organismos primitivos y estrategias metabólicas

Los organismos muy primitivos tienen que haber poseído:

1. Metabolismo, es decir, la capacidad de acumular, convertir y transformar nutrientes y energía.

2. Mecanismo hereditario, la capacidad de replicarse y transferir sus propiedades a la siguiente generación.

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Los primeros organismos tuvieron que emplear una estrategia simple para obtener energía. El metabolismo primitivo era anaeróbico y probablemente quimiolitotrófico, explotando los abundantes recursos de FeS y H2S existentes. La respiración y las fermentaciones anaeróbicas aparecieron más tarde, junto con la fotosíntesis anoxigénica, a la que siguió la oxigénica. Esta última condujo al desarrollo de un ambiente óxico y a grandes explosiones de evolución biológica.

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La oxigenación de la atmósfera debida al metabolismo de las cianobacterias fue un proceso gradual a lo largo de un período de alrededor de 1.000 millones de años

cianobacterias

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Organismos primitivos y código molecular

Los organismos primitivos pueden haber usado ARN tanto en su capacidad genética como enzimática, pero debido a que el ARN catalítico no es muy eficiente, la aparición de la catálisis por proteínas pudo llevar a una notable mejora de la eficiencia celular. El ADN pudo haber surgido porque proporciona una forma más estable de información genética que el ARN y puede ser copiado con más precisión.

ADN ARN proteína

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Eucariotas y organelos

El núcleo eucariótico y el aparato mitótico surgieron probablemente en respuesta a la necesidad de asegurar la repartición ordenada del ADN en organismos con un genoma de gran tamaño.

Las mitocondrias y los cloroplastos, es probable que se originaran a partir de procariontes que se hicieron simbiontes de células eucariotas (endosimbiosis)

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Secuencia del ARN ribosómico y evolución.

Las comparaciones de las secuencias de ARN ribosómico son útiles para determinar las relaciones entre organismos.

Actualmente se dispone de árboles filogenéticos basados en el ARN ribosómico 16S de todos los principales grupos procarióticos y eucarióticos.

Filogenia: historia evolutiva de los organismos

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Secuencia del ARN ribosómico y evolución.

La principal conclusión de los estudios filogenéticos basados en las comparaciones de secuencia de ARN ribosómico es que la vida en la Tierra evolucionó a lo largo de tres líneas principales, que llamamos dominios, procedentes de un antepasado común.

Dos de estas líneas, Bacteria y Archaea, se mantuvieron procarióticas, mientras que la tercera, Eucarya, evolucionó a la moderna célula eucariota.

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Filogenia microbiana a partir de la secuenciación del ARN ribosómico.

Filogenia antigua basada en relaciones fenotípicas. Cinco reinos.

Filogenia moderna basada en secuenciación molecular. Solo tres lineas evolutivas o dominios.

2 líneas procarióticas: Bacteria y Archaea. Eubacteria y Archibacterias son nominaciones de estos dominios

1 línea eucariótica: Eucarya vegetales, hongos y protistas son reinos comprendidos en este dominio

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Filogenia microbiana a partir de la secuenciación del rARN

El arbol universal de la vida

1. El dominio Eucarya es tan antiguo como cada una de las líneas procarióticas. Antes de los aconteciminetos endosimbiontes en la Tierra hubo especies de Eucarya sin organelos (mitocondria, cloroplasto). Por ejemplo: microsporidios y diplomonadales (Giardia)

2. A partir del antepasado universal la evolución inicial tomó dos direcciones, la del dominio Bacteria y la opuesta de Archaea y Eukarya.

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3. El dominio Archaea es el que se ramifica más cerca de la raíz. En la actualidad es el grupo de organismos más primitivos (menos evolucionados). Ambientes extremos de altas temperaturas, bajos pH, alta salinidad, etc.

4. El dominio Eucarya, es ahora el más alejado del antepasado universal, es el menos primitivo, es decir, el más evolucionado.

5. Hay que destacar que ninguno de los organismos que viven actualmente es primitivo. Todas las formas de vida que existen son organismos modernos, bien adaptados y que han tenido exito en sus nichos ecológicos.

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Las raices evolutivas de mitocondrias y cloroplastos se encuentran en el dominio Bacteria.

La secuencia molecular indica que las mitocondrias surgieron de un pequeño grupo de organismos que incluye los modernos procariotas Agrobacterium, Rhizobium y las rickettsias (Proteobacterias).

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Características de los dominios primarios

PARED CELULAR

Peptidoglican es una molécula presente en la pared celular de los miembros del dominio Bacteria y no en los otros dominios.

Las únicas excepciones conocidas son los miembros del grupo Planctomyces-Pirella cuya pared celular está formada por proteínas, y los grupos Chlamydia-Mycoplasma, que carecen de pared celular.

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LIPIDOS

La naturaleza química de los lípidos de las membranas celulares es quizás el criterio no genético más útil para diferencial los dominios Archaea y bacteria.

Bacteria y Eucarya sintetizan los lípidos de la membrana con union éster entre ácidos grasos y glicerol y de forma D. En Archaea los lípidos son moléculas con enlaces éter y forma L.

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ARN POLIMERASA, diferentes tipos

MECANISMOS DE TRANSCRIPCION Y SINTESIS DE PROTEINAS, ribosomas 70S en Archaea y Bacteria, 80S en eucariotas. Efecto de inhibidores de la síntesis de proteínas

OTRAS, por ejemplo, el número de nucleótidos modificados que hay en el rARN 18S eucariótico (el equivalente funcional del rARN 16S procariótico)

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Taxonomía, nomenclatura y el Bergey’s Manual

Taxonomía: ciencia de la clasificación y está constituída por dos subdisciplinas principales, la identificación y la nomenclatura.

Taxonomía Bacteriana, hace referencia a cosas distintas a la filogenia bacteriana, se ha basado tradicionalmente en análisis fenotípicos para la clasificación e identificación

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Clasificación y el concepto de especie

Los microbiólogos necesitan identificar y clasificar las bacterias por diferentes razones prácticas.

En microbiología, la unidad taxonómica básica es la especie.

Especie: de manera operativa, es una colección de cepas similares que difieren lo suficiente de otros grupos de cepas para asegurar su reconocimiento como unidad taxonómica básica.

Cepas o clones: una población de células genéticamente idénticas derivadas de una sola célula.

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Los grupos de especies se reúnen en géneros.

Los géneros se agrupan en Familias, las familias en órdenes, los órdenes en divisiones, etc., hasta alcanzar el nivel taxonómico más alto, que es el dominio.

Familia es el taxon superior que se emplea de manera rutinaria en estudios taxonómicos de procariotas.

Para identificar un organismo desconocido, es esencial que dicho organismo satisfaga todos los criterios taxonómicos de los rangos que están por encima de la designación de especie.

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Dominio.............Bacteria

División.............Gracilicutes

Orden.................Rhodospirillales

Familia...............Chromatiaceae

Género...............Chromatium

Especie...............warmingii

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Ejercicio: Con las propiedades siguientes proceda a jerarquizar taxonómicamente la bacteria roja del azufre Chromatium warmingii.

1. Células de 3.5-4.0 um x 5-11 um; almacena azufre principalmente en los polos de la célula

2. Bacterias Gram negativas

3. Células procarióticas; secuencia rARN típicas del linaje de las bacterias rojas.

4. Bacterias rojas fototróficas

5. Bacterias rojas del azufre con forma bacilar

6. Bacterias rojas del azufre

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Dominio...Bacteria.... Células procarióticas; secuencia rARN típicas del linaje de las

bacterias rojas.

División..Gracilicutes.. Bacterias Gram negativas

Orden...Rhodospirillales... Bacterias rojas fototróficas

Familia..Chromatiaceae... Bacterias rojas del azufre

Género..Chromatium... Bacterias rojas del azufre con forma bacilar

Especie....warmingii.... Células de 3.5-4.0 um x 5-11 um; almacena azufre principalmente en los polos de la célula

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The International Code of Nomenclatuire of Bacteria

Sistema binomial de nomenclatura (Linneo)

Género especie

Bacillus cereus

Bacillus acidocaldarius

B. cereus

Bacillus sp.

Bacillus spp.

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American Type Culture Collection (ATCC).

Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSM).

Colecciones de cultivos axénicos o puros que han sido reconocidos como géneros o especies. La cepa depositada sirve como cepa tipo de la nueva especie, o género y especie, y se conserva como patrón de comparación de otras cepas que se suponga pertenecen a la misma especie o género.

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International Journal of Systematic Bacteriology (IJSB)

Revista oficial de registro para la taxonomía y clasificación de los microrganismos, es decir, publica los nombres aprobados y abre el camino para su inclusión en el Bergey’s Manual, uno de los principales tratados de taxonomía de procariotas.

Los cultivos de referencia se mantienen congelados o liofilizados (las cepas se conservan vivas).

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Taxonomía bacteriana convencional

Características de valor taxonómicos:

•Morfología

•Tinción de Gram

•Tipo de Nutrición (fototrofía, quimioorganotrofía y quimiolitotrofía)

•Estructura química de la pared celular

•Presencia de inclusiones celulares y productos de reserva.

•Estructura química de la capsula

•Los pigmentos

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Taxonomía bacteriana convencional Características de valor taxonómicos:

•Los requerimientos nutritivos

•La capacidad para usar compuestos de C, N y S

•Los productos de fermentación

•Los requerimientos y tolerancias a gases, temperatura y de pH.

•La sensibilidad a los antibióticos

•La patogenicidad

•Las relaciones simbióticas

•Las características inmunológicas

•El habitat

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Agrobacterium radiobacter ST 84 se usa para control

del patógeno Agrobacterium tumefaciens

Streptomyces griseovirens se usa para control de hongos

Botrytis spp., Fusarium spp.

Bacillus subtilis se usa para control de hongos del suelo

Burkholderia cepacia (Pseudomonas spp.) se usa para control de hongos de Dumping off y nemátodos.

Pseudomonas fluorescens st NCIB-122089 se usa para control de Mancha bacteriana de los champiñones

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Erwinia carotovora pv. Carotovora pudrición blanda de hortalizas

Pseudomonas syringae pv. tomato agente de enfermedad conocida como Peca bacteriana

Clavibacter michiganensis pv. michiganensis agente de la enfermedad Cancro bacteriano

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