Em formação

Por que as bactérias F ainda existem?


Quando uma bactéria F + se conjuga com uma F-, ela também torna as outras bactérias F +. Portanto, a longo prazo, todas as bactérias deveriam ser F +.

Existe algum mecanismo que converte F- em F +? Poderia ser degeneração do plasmídeo F?


Portanto, uma maneira fácil de converter uma célula de F + em F- é dividi-la sem replicar corretamente o plasmídeo e transferi-lo para uma célula filha, deixando você com um F + e um F-. As células que são F- agora têm uma vantagem de pressão seletiva sobre as células F +, pois agora não precisam de energia para produzir um plasmídeo quando se dividem. Se essa vantagem for suficiente para superar a frequência de conjugação, você acabará tendo uma população de células F-.


Imortalidade biológica

Imortalidade biológica (às vezes referido como bio indefinido mortalidade) é um estado em que a taxa de mortalidade decorrente da senescência é estável ou decrescente, desvinculando-a da idade cronológica. Várias espécies unicelulares e multicelulares, incluindo alguns vertebrados, atingem esse estado ao longo de sua existência ou após viverem o suficiente. Um ser vivo biologicamente imortal ainda pode morrer de outros meios além da senescência, como por meio de ferimentos, veneno, doença, falta de recursos disponíveis ou mudanças no ambiente.

Esta definição de imortalidade foi desafiada no Manual da Biologia do Envelhecimento, [1] porque o aumento da taxa de mortalidade em função da idade cronológica pode ser desprezível em idades extremamente avançadas, ideia conhecida como platô de mortalidade tardia. A taxa de mortalidade pode parar de aumentar na velhice, mas na maioria dos casos essa taxa é tipicamente muito alta. [2]

O termo também é usado por biólogos para descrever células que não estão sujeitas ao limite de Hayflick de quantas vezes podem se dividir.


Bactérias: Registro Fóssil

Pode parecer surpreendente que as bactérias possam deixar fósseis. No entanto, um grupo particular de bactérias, a cianobactéria ou "alga verde-azulada", deixou um registro fóssil que remonta ao Pré-cambriano - os mais antigos fósseis semelhantes a cianobactérias conhecidos têm quase 3,5 bilhões de anos, entre os fósseis mais antigos atualmente conhecido. As cianobactérias são maiores do que a maioria das bactérias e podem secretar uma parede celular espessa. Mais importante ainda, as cianobactérias podem formar grandes estruturas em camadas, chamadas estromatólitos (se mais ou menos em forma de cúpula) ou oncolites (se for redondo). Essas estruturas se formam como um tapete de cianobactérias cresce em um ambiente aquático, prendendo sedimentos e, às vezes, secretando carbonato de cálcio. Quando seccionados muito finamente, os estromatólitos fósseis podem conter cianobactérias fósseis primorosamente preservadas e algas.

A foto acima é uma pequena cadeia de células cianobacterianas, de Bitter Springs Chert, no norte da Austrália (cerca de 1 bilhão de anos). Cianobactérias muito semelhantes estão vivas hoje, de fato, a maioria das cianobactérias fósseis quase pode ser referida a gêneros vivos. Compare esta cianobactéria fóssil com esta imagem da cianobactéria viva Oscilatoria:

O grupo mostra o que é provavelmente o conservadorismo mais extremo da morfologia de todos os organismos.

Além das cianobactérias, bactérias fósseis identificáveis ​​não são particularmente comuns. No entanto, sob certas condições químicas, as células bacterianas podem ser substituídas por minerais, notavelmente pirita ou siderita (carbonato de ferro), formando réplicas das células vivas, ou pseudomorfos. Algumas bactérias secretam bainhas revestidas de ferro que às vezes se fossilizam. Outros podem perfurar conchas ou rochas e formar canais microscópicos dentro da concha, tais bactérias são referidas como endolítico, e suas perfurações podem ser reconhecidas em todo o Fanerozóico. As bactérias também foram encontradas no âmbar - resina de árvore fossilizada - e em tecidos mumificados. Às vezes, também é possível inferir a presença de bactérias causadoras de doenças a partir de ossos fósseis que mostram sinais de terem sido infectados quando o animal estava vivo. Talvez o mais surpreendente sejam os fósseis deixados por magnetobactérias - um grupo de bactérias que formam minúsculos cristais de magnetita (óxido de ferro) do tamanho de nanômetros dentro de suas células. Cristais de magnetita identificáveis ​​como produtos bacterianos foram encontrados em rochas tão antigas quanto 2 bilhões de anos - com um tamanho de algumas centenas de milionésimos de um metro, eles detêm o recorde dos menores fósseis.

NOTÍCIAS FLASH!Uma das notícias científicas mais quentes da década é a descoberta de possíveis restos de organismos semelhantes a bactérias em um meteorito de Marte. Mas eles são realmente fósseis? Como poderíamos descobrir se eles são reais ou não? E o que eles poderiam nos dizer sobre a história de Marte - e da vida em nosso próprio planeta? Os paleontólogos estão trabalhando em conjunto com cientistas espaciais para tentar responder a algumas perguntas básicas sobre as possíveis "bactérias marcianas". Eventualmente, haverá uma exibição neste servidor lidando com os "micróbios marcianos". Até que esteja pronto, você pode ver fotos e artigos de notícias sobre a descoberta ou aprender mais sobre os meteoritos de Marte, cortesia do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. -> Leia um Relatório de Pesquisa da UCMP: "Bactérias e protozoários do âmbar médio do Cretáceo do Condado de Ellsworth, Kansas." Saiba mais sobre bactérias filamentosas fossilizadas e outros micróbios, encontrados no âmbar do Cretáceo - um modo único de preservação. Este relatório foi publicado originalmente em PaleoBios 17 (1): 20-26. O Dr. Raul Cano, da California Polytechnic State University em San Luis Obispo, conseguiu isolar e reviver bactérias retiradas de insetos fossilizados presos em âmbar. Li tudo sobre isso!

Imagem do fóssil de cerejeira de Bitter Springs fornecida por J. William Schopf. A imagem de Oscilatoria foi fornecido por Alejandro Lopez-Cortes (CIBNOR, México), Mark Schneegurt (Wichita State University) e Cyanosite.


Onde as bactérias podem ser encontradas?

As bactérias estão entre os organismos mais numerosos do planeta, explica Microbe World. As bactérias existem virtualmente em todos os lugares da Terra. As bactérias podem ser encontradas no ar, no solo, na água, nas plantas, nos animais e até na pele dos seres humanos.

Parte do que torna as bactérias tão abundantes é sua capacidade de habitar uma variedade de diferentes tipos de ambientes. Algumas bactérias prosperam em ambientes extremamente quentes, como as encontradas em fontes e gêiseres de enxofre fervente. Outros tipos de bactérias são capazes de sobreviver a temperaturas de congelamento subtermais enterradas sob muitas camadas de gelo, como as condições encontradas nos lagos superfrios da Antártica. Micróbios que vivem nessas condições extremas são chamados de extremófilos.

Uma única colher de chá da camada superficial do solo contém até um bilhão de células de bactérias. A boca humana sozinha abriga mais de 500 espécies diferentes de bactérias. Cada centímetro quadrado de pele do corpo humano contém cerca de 100.000 bactérias. As bactérias podem sobreviver não apenas em condições extremas, mas também podem sobreviver em superfícies por longos períodos de tempo. Embora a remoção de bactérias do dia-a-dia não seja viável, lavar as mãos regularmente e desinfetar as superfícies com as quais você entra em contato regularmente ajuda a reduzir a quantidade de bactérias que entram em seu corpo.


O Instituto de Pesquisa da Criação

Os arqueanos são micróbios incríveis que funcionam em processos metabólicos completamente diferentes dos outros micróbios. Descobrir o primeiro deles deve ter sido como encontrar um carro movido a células de combustível de hidrogênio em meio a uma paisagem de veículos movidos a gasolina. Esse foi o privilégio do biólogo evolucionista Carl Woese, falecido em 30 de dezembro de 2012. 1 Como ele interpretou esses achados e o que devemos lembrar sobre suas contribuições?

Woese ficou famoso por adicionar uma nova classificação principal de micróbios, chamada archaea, sobre a qual os livros de biologia publicaram durante sua vida. Mas o nome atribuído a este domínio único da vida reflete conceitos evolucionários, não ciência.

A bioquímica desses minúsculos sobreviventes é tão fundamentalmente diferente da maioria das criaturas que queimam oxigênio que evolucionistas como Woese acreditavam que ela devia ter evoluído muito antes, quando as primeiras bactérias de funcionamento normal também estavam se inventando. O nome & quotarchaea & quot deriva da palavra grega & quotarkhaios, & quot que significa antigo ou primitivo.

Mas embora essas bactérias desafiem tantas normas de vida microbiana, elas não parecem de forma alguma antigas. Os cientistas os observam vivos hoje, embora em lugares hostis, como respiradouros tóxicos no fundo do mar. Por que chamá-los de antigos se os cientistas não os observaram há bilhões de supostos anos atrás?

Na verdade, Woese estava familiarizado com pelo menos duas razões pelas quais archaea nunca poderia ter evoluído. Primeiro, sua bioquímica fundamentalmente diferente é totalmente formada e bem projetada. 2 Consiste em matrizes interdependentes de máquinas moleculares com partes de proteínas ajustadas à forma. A natureza sozinha não poderia gerar toda a bioquímica milagrosa da qual dependem as células familiares que queimam oxigênio, assim como a natureza sozinha não poderia gerar motores a gasolina em carros. 3 Portanto, a descoberta de bactérias que vivem de enxofre, por exemplo, dobra tanto as barreiras bioquímicas que a evolução não pode impedir quanto o crédito que o Criador merece por construí-las. 4

Em segundo lugar, sem micróbios e outros organismos com dietas extremas, como aqueles que comem óleo 5 ou sobrevivem à radiação 6 e outras condições extremas de vida como o sal saturado, as propriedades vitais da atmosfera terrestre não existiriam. Woese disse ao The New York Times em 1996, "Se a vida microbiana desaparecesse, seria - morte instantânea para o planeta." 7 Isso significa que Woese estava familiarizado com o surgimento de um propósito nas bactérias em um nível planetário & mdash eles parecem ter existido criado para manter os grandes sistemas terrestres que sustentam plantas e animais. 8

Revelar os designs surpreendentes dos modos de vida únicos dos arqueanos é louvável, mas chamá-los de "quotarchaeanos" meramente reforça as idéias evolucionárias não científicas. Infelizmente, o legado de Woese inclui distorcer os fatos da criação de Deus para se adequar à falsidade da evolução.

  1. Zielinska, E. Evolutionary Biologist Dies. O cientista. Postado em the-scientist.com em 2 de janeiro de 2013, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  2. Thomas, B. Explorando os extremos da Terra e # 39 em uma busca inútil pela vida no espaço. Atualização da Ciência da Criação. 11 de maio de 2010, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  3. Morton, J. S. 1980. Glycolysis and Alcoholic Fermentation. Atos e fatos. 9 (12).
  4. Sherwin, F. Reheating the Prebiotic Soup. Instituto de Pesquisa Criativa. Postado em icr.org em 1 de setembro de 2003, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  5. Thomas, B. Oil-eating Bacteria Are Cleaning Up Gulf. Atualização da Ciência da Criação. Postado em icr.org em 27 de agosto de 2010, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  6. Thomas, B. Life Thrives amid Chernobyl & # 39s Leftover Radiation. Atualização da Ciência da Criação. Postado em icr.org em 8 de fevereiro de 2011, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  7. Blakeslee, S. Microbial Life & # 39s Steadfast Champion. O jornal New York Times. Postado em nytimes.com em 15 de outubro de 1996, acessado em 8 de janeiro de 2013.
  8. Thomas, B. New Insights into Earth & # 39s Nitrogen-Balancing System. Atualização da Ciência da Criação. Postado em icr.org em 21 de novembro de 2011, acessado em 8 de janeiro de 2013.

Crédito da imagem: National Oceanic and Atmospheric Administration

* O Sr. Thomas é escritor de ciências no Institute for Creation Research.


Cepas Hfr

Um avanço importante veio quando Luca Cavalli-Sforza descobriu um derivado de uma cepa F +. Ao cruzar com as cepas F & # x02212, essa nova cepa produziu 1000 vezes mais recombinantes para marcadores genéticos do que uma cepa F + normal. Cavalli-Sforza designou este derivado uma cepa Hfr para indicar uma alta frequência de recombinação. Em cruzamentos Hfr & # x02005 & # x000d7 & # x02005F & # x02212, virtualmente nenhum dos pais F & # x02212 foram convertidos em F + ou em Hfr. Este resultado está em contraste com os cruzamentos F + & # x02005 & # x000d7 & # x02005F & # x02212, onde a transferência infecciosa de F resulta em uma grande proporção dos pais F & # x02212 sendo convertidos em F +. A Figura 7-6 retrata esse conceito. Tornou-se aparente que uma cepa Hfr resulta da integração do fator F no cromossomo, conforme ilustrado na Figura 7-6a.

Figura 7-6

A transferência de E. coli marcadores cromossômicos mediados por F. (a) Ocasionalmente, o fator F independente se combina com o E. coli cromossoma. (b) Quando o F integrado é transferido para outro E. coli célula durante a conjugação, carrega consigo qualquer E. coli DNA (mais.)

Agora, durante a conjugação entre uma célula Hfr e uma célula F & # x02212, uma parte do cromossomo é transferida com F. A quebra aleatória interrompe a transferência antes que todo o cromossomo seja transferido. O fragmento cromossômico pode então se recombinar com o cromossomo receptor. Claramente, o baixo nível de transferência de marcador cromossômico observado por Lederberg e Tatum (ver Figura 7-2) em um cruzamento F + & # x02005 & # x000d7 & # x02005F & # x02212 pode ser explicado pela presença de células Hfr raras na população. Quando essas células são isoladas e purificadas, como primeiro feito por Cavalli, elas agora transferem marcadores cromossômicos em alta frequência, porque cada célula é um Hfr.


O espaço sob suas unhas é completamente impermeável aos melhores e mais simples meios de que dispomos para prevenir a propagação de doenças

Os pesquisadores raciocinaram que poderia ser porque o espaço entre a pele e a unha cria um ambiente perfeito para o crescimento e a proliferação dessas minúsculas formas de vida, graças à proteção física fornecida pela unha e a toda aquela umidade. As descobertas anteriores de que a esfrega persistente não esteriliza a mão, combinadas com a descoberta de seu estudo “que há um número significativo de bactérias no compartimento subungueal sugere [s] que esta região da mão pode ser relativamente inacessível a agentes antimicrobianos durante a mão normal - procedimentos de lavagem ”, escreveram eles.

Pense nisso: o espaço sob suas unhas é totalmente impermeável aos melhores e mais simples meios de que dispomos para prevenir a propagação de doenças.

De fato, uma pequena mas próspera área de pesquisa continua investigando a própria natureza da vida microbiana que vive nas unhas das enfermeiras. E não apenas unhas naturais, mas também artificiais, ou revestidas de esmalte.

Cada dedo pode abrigar centenas de milhares de bactérias (Crédito: Getty Images)

Em 1989, apenas um ano após o estudo da Universidade da Pensilvânia, um grupo de enfermeiras escreveu, “embora permaneçam perguntas sem resposta sobre a segurança e a praticidade das unhas artificiais, muitos profissionais de saúde sucumbiram às tendências da moda e agora usam unhas artificiais”.

Os pesquisadores queriam ver se 56 enfermeiras com unhas artificiais, que tendem a ser mais longas do que as naturais e quase sempre cobertas de esmalte, tinham mais bactérias nas pontas dos dedos do que 56 enfermeiras com unhas naturais. Eles também queriam ver se lavar as mãos era mais ou menos eficaz para quem tinha unhas artificiais.

Eles descobriram que enfermeiras com unhas artificiais tinham mais bactérias nas pontas dos dedos do que aquelas com unhas naturais, ambos antes e após a lavagem das mãos. Isso não quer dizer que eles estivessem realmente transferindo mais bactérias para seus pacientes, necessariamente, apenas que as bactérias que viviam nas pontas dos dedos eram mais numerosas. Ainda assim, a suposição é que mais bactérias pelo menos aumentam o potencial de transmissão de patógenos.


Triclosan: o bom, o mau e o desconhecido

Uma empresa suíça chamada Ciba-Geigy foi a primeira a sintetizar e patentear o triclosan em 1964 e, em 1970, ele já era usado em todo o mundo como exfoliante cirúrgico em hospitais. Hoje, estima-se que 3 em cada 4 sabonetes líquidos antibacterianos vendidos ao consumidor típico contêm triclosan como ingrediente ativo.

Embora seja uma parte útil de muitos produtos de consumo, como pastas de dente, existem algumas preocupações em relação ao uso de triclosan. Estudos feitos em células e animais em laboratórios sugerem que a substância química pode afetar a sinalização hormonal e outros processos biológicos. Também há evidências de que o acúmulo de triclosan no meio ambiente impacta negativamente organismos como as algas em ecossistemas aquáticos. No entanto, também é importante ressaltar que, até o momento, o triclosan não foi diretamente relacionado a efeitos negativos para a saúde em humanos. Por outro lado, alguns dos outros aditivos recentemente banidos pelo FDA, como o hexaclorofeno, mostraram ser diretamente prejudiciais aos humanos, especialmente com exposição elevada ou repetida. Felizmente, para produtos químicos como esses, o FDA tem limitações em vigor há anos para garantir que a exposição ao consumidor esteja dentro dos limites seguros.

Por último, existem preocupações de que o uso de triclosan pode aumentar o risco de geração de bactérias resistentes aos medicamentos. Está bem documentado que as bactérias normalmente encontradas na pele podem se tornar resistentes ao próprio triclosan. Especificamente, as bactérias resistentes ao triclosan normalmente têm mutações em proteínas chamadas redutases de proteínas transportadoras de enoil-acila (ENRs), que são importantes para a biossíntese das membranas celulares e também são alvos de outros antibióticos usados ​​clinicamente, como a isoniazida. Assim, quando as populações de bactérias são continuamente expostas ao triclosan, principalmente por acúmulo ambiental, elas desenvolvem mutações em seus ENRs para sobreviver à exposição. A principal preocupação de saúde pública é que essas mutações ENR também podem tornar essas bactérias resistentes a outros antibióticos prescritos por médicos (Figura 2). Se for esse o caso, limitar o uso de triclosan apenas a produtos onde seja mais eficaz pode ser muito importante.

Figura 2:A exposição ambiental ao triclosan ajuda as populações bacterianas a desenvolver mutações de resistência ao triclosan e outros antibióticos importantes


Por que as bactérias F ainda existem? - Biologia

As bactérias são minúsculos organismos que estão por toda parte ao nosso redor. Não podemos vê-los sem um microscópio porque são muito pequenos, mas estão no ar, na nossa pele, no nosso corpo, no solo e em toda a natureza.

As bactérias são microrganismos unicelulares. Sua estrutura celular é única, pois não têm núcleo e a maioria das bactérias tem paredes celulares semelhantes às células vegetais. Eles vêm em todos os tipos de formatos, incluindo hastes, espirais e esferas. Algumas bactérias podem "nadar" usando caudas longas chamadas flagelos. Outros apenas se divertem ou deslizam.

As bactérias são perigosas?

A maioria das bactérias não é perigosa, mas algumas são e podem nos deixar doentes. Essas bactérias são chamadas de patógenos. Os patógenos podem causar doenças em animais e plantas. Alguns exemplos de patógenos são lepra, intoxicação alimentar, pneumonia, tétano e febre tifóide.

Felizmente, temos antibióticos que podemos tomar, que ajudam a combater os patógenos nocivos. Também temos anti-sépticos para nos ajudar a manter as feridas livres de bactérias e sabonete antibiótico que usamos para lavar a fim de ajudar a evitar os agentes patogênicos nocivos. Lembre-se de lavar as mãos!

De jeito nenhum. Na verdade, a maioria das bactérias é muito útil para nós. Eles desempenham um papel importante no ecossistema do planeta, bem como na sobrevivência humana.

As bactérias trabalham duro no solo para nós. Um tipo de bactéria, chamado de decompositores, decompõe o material de plantas e animais mortos. Isso pode soar meio nojento, mas é uma função importante que ajuda a criar solo e se livrar do tecido morto. Outro tipo de bactéria no solo é a bactéria Rhizobium. A bactéria Rhizobium ajuda a fertilizar o solo com nitrogênio para as plantas usarem durante o crescimento.

Sim, há bactérias em nossa comida. Que nojo! Bem, eles não são realmente tão ruins e bactérias são usadas para fazer alimentos como iogurte, queijo, picles e molho de soja.

Bactérias em nossos corpos

Existem muitas bactérias boas em nossos corpos. Um dos principais usos das bactérias é nos ajudar a digerir e decompor nossos alimentos. Algumas bactérias também podem ajudar nosso sistema imunológico a nos proteger de certos organismos que podem nos deixar doentes.


Por que as bactérias F ainda existem? - Biologia

A fermentação de metano é uma biotecnologia versátil capaz de converter quase todos os tipos de materiais poliméricos em metano e dióxido de carbono em condições anaeróbicas. Isso é obtido como resultado da quebra bioquímica consecutiva de polímeros em metano e dióxido de carbono em um ambiente no qual uma variedade de microrganismos que incluem microrganismos fermentativos (acidogênios) produtores de hidrogênio, micróbios formadores de acetato (acetogênios) e micróbios produtores de metano (metanógenos) crescem harmoniosamente e produzem produtos finais reduzidos. Os anaeróbios desempenham papéis importantes no estabelecimento de um ambiente estável em vários estágios da fermentação do metano.

A fermentação do metano oferece um meio eficaz de redução da poluição, superior ao obtido por meio de processos aeróbicos convencionais. Embora praticada por décadas, o interesse na fermentação anaeróbia só recentemente se concentrou em seu uso na recuperação econômica de gás combustível de excedentes industriais e agrícolas.

A bioquímica e a microbiologia da decomposição anaeróbica de materiais poliméricos em metano e os papéis dos vários microrganismos envolvidos são discutidos aqui. O progresso recente na biologia molecular de metanógenos é revisto, novos digestores são descritos e melhorias na operação de vários tipos de biorreatores também são discutidas.

A fermentação do metano é consequência de uma série de interações metabólicas entre vários grupos de microrganismos. Uma descrição dos microrganismos envolvidos na fermentação do metano, com base em uma análise de bactérias isoladas de digestores de lodo de esgoto e do rúmen de alguns animais, está resumida na Fig. 4-1. O primeiro grupo de microrganismos secretam enzimas que hidrolisam materiais poliméricos em monômeros, como glicose e aminoácidos, que são subsequentemente convertidos em ácidos graxos voláteis mais elevados, H 2 e ácido acético (Fig. 4-1 estágio 1). No segundo estágio, as bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio convertem os ácidos graxos voláteis mais elevados, por exemplo, ácidos propiônico e butírico produzidos, em H 2, CO 2 e ácido acético. Finalmente, o terceiro grupo, as bactérias metanogênicas, convertem H 2, CO 2 e acetato em CH 4 e CO 2.

Materiais poliméricos como lipídios, proteínas e carboidratos são principalmente hidrolisados ​​por hidrolases extracelulares, excretados por micróbios presentes no Estágio 1 (Fig. 4-1). As enzimas hidrolíticas (lipases, proteases, celulases, amilases, etc.) hidrolisam seus respectivos polímeros em moléculas menores, principalmente unidades monoméricas, que são então consumidas por micróbios. Na fermentação de metano de águas residuais contendo altas concentrações de polímeros orgânicos, a atividade hidrolítica relevante para cada polímero é de importância fundamental, em que a hidrólise do polímero pode se tornar uma etapa de limitação de taxa para a produção de substratos bacterianos mais simples para serem usados ​​em etapas de degradação subsequentes .

As lipases convertem lipídios em ácidos graxos de cadeia longa. Foi relatada uma densidade populacional de 10 4 - 10 5 bactérias lipolíticas por ml de fluido digestor. Clostridia e os micrococos parecem ser responsáveis ​​pela maioria dos produtores de lipase extracelular. Os ácidos graxos de cadeia longa produzidos são posteriormente degradados pela p-oxidação para produzir acetil CoA.

As proteínas são geralmente hidrolisadas em aminoácidos por proteases, secretadas por Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas e Streptococcus. Os aminoácidos produzidos são então degradados em ácidos graxos, como acetato, propionato e butirato, e em amônia, como encontrado em Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter e Bacteroides.

Polissacarídeos como celulose, amido e pectina são hidrolisados ​​por celulases, amilases e pectinases. A maioria das celulases microbianas são compostas por três espécies: (a) endo- (3-1, 4-glucanases (b) exo-pl, 4-glucanases (c) celobiase ou p-glucosidase. Estas três enzimas atuam sinergicamente na celulose hidrolisando efetivamente sua estrutura cristalina, para produzir glicose. A hidrólise microbiana do amido bruto em glicose requer atividade amilolítica, que consiste em 5 espécies de amilase: (a) a-amilases que endoclivam ligações a & plusmn1-4 (b) p-amilases que exoclivam uma Ligações & plusmn1-4 (c) amiloglucosidases que exoclivam ligações a & plusmnl-4 e a & plusmnl-6 (d) enzimas de desramificação que atuam nas ligações a & plusmnl-6 (e) maltase que atua sobre a glicose de liberação de maltose. As pectinas são degradadas pelas pectinases, incluindo pectinesterases e despolimerases. As xilanas são degradadas com uma & sup2-endo-xilanase e uma & sup2-xilosidase para produzir xilose.

Hexoses e pentoses são geralmente convertidas em intermediários C2 e C3 e em transportadores de elétrons reduzidos (por exemplo, NADH) por meio de vias comuns. A maioria das bactérias anaeróbias sofre metabolismo de hexose através da via Emden-Meyerhof-Parnas (EMP), que produz piruvato como intermediário junto com NADH. O piruvato e o NADH assim gerados são transformados em endo-produtos de fermentação, como lactato, propionato, acetato e etanol por outras atividades enzimáticas que variam enormemente com as espécies microbianas.

Assim, na hidrólise e acidogênese (Fig. 4-1 Estágio 1), açúcares, aminoácidos e ácidos graxos produzidos pela degradação microbiana de biopolímeros são sucessivamente metabolizados por endo-produtos de fermentação, como lactato, propionato, acetato e etanol por outros atividades enzimáticas que variam enormemente com as espécies microbianas.

Assim, na hidrólise e acidogênese (Fig. 4-1 Estágio 1), açúcares, ácidos de munição e ácidos graxos produzidos pela degradação microbiana de biopolímeros são sucessivamente metabolizados por grupos de bactérias e são fermentados principalmente em acetato, propionato, butirato, lactato, etanol, dióxido de carbono e hidrogênio (2).

Embora algum acetato (20%) e H 2 (4%) sejam produzidos diretamente pela fermentação acidogênica de açúcares e aminoácidos, ambos os produtos são derivados principalmente da acetogênese e desidrogenação de ácidos graxos voláteis superiores (Fig. 4-1 Estágio 2 )

Obrigatoriedade de bactérias acetogênicas produtoras de H2 são capazes de produzir acetato e H2 de ácidos graxos superiores. Apenas Syntrophobacter wolinii, um decompositor de propionato (3) e Sytrophomonos wolfei, um decompositor de butirato (4) foram isolados até agora devido a dificuldades técnicas envolvidas no isolamento de cepas puras, uma vez que H 2 produzido, inibe severamente o crescimento dessas cepas. O uso de técnicas de co-cultura incorporando consumidores de H 2, como metanógenos e bactérias redutoras de sulfato, pode, portanto, facilitar a elucidação da degradação bioquímica de ácidos graxos.

As reações de quebra geral para ácidos graxos de cadeia longa são apresentadas nas Tabelas 4-1 e 4-2. A produção de H 2 por acetogênios é geralmente desfavorável em termos energéticos devido aos altos requisitos de energia livre (a & # 148G o, & gt 0 Tabela 4-1 e 4-2). No entanto, com uma combinação de bactérias consumidoras de H 2 (Tabela 4-2, 4-3), os sistemas de co-cultura fornecem condições favoráveis ​​para a decomposição de ácidos graxos em acetato e CH 4 ou H 2 S (a & # 148G o , & lt 0). Além da decomposição dos ácidos graxos de cadeia longa, o etanol e o lactato também são convertidos em acetato e H 2 por um acetogênio e Clostridium formicoaceticum, respectivamente.

O efeito da pressão parcial de H 2 na energia livre associada à conversão de etanol, propionato, acetato e H 2 / CO 2 durante a fermentação do metano é mostrado na Fig. 4-2. Uma pressão parcial extremamente baixa de H 2 (10 -5 atm) parece ser um fator significativo na degradação do propionato em CH 4. Essa pressão parcial baixa pode ser alcançada em uma co-cultura com bactérias consumidoras de H 2, conforme descrito anteriormente (Tabela 4-2,4-3).

Os metanógenos são fisiologicamente unidos como produtores de metano na digestão anaeróbia (Fig. 4-1 Estágio 3). Embora o acetato e H 2 / CO 2 sejam os principais substratos disponíveis no ambiente natural, formato, metanol, metilaminas e CO também são convertidos em CH 4 (Tabela 4-3).

Tabela 4-1 Reações propostas envolvidas no catabolismo de ácidos graxos por Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tabela 4-2 Mudanças de energia livre para reações envolvendo oxidação anaeróbica em culturas puras ou em co-culturas com metanogênios de utilização de H2 ou Desulfovibrio spp.

1. Bactéria acetogênica redutora de prótons (produtora de H2)

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. Metanógenos usando H2 e desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 "4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabela 4-3 Reações de produção de energia de metanogênios

CO 2 + 4 H 2 & reg CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + & reg CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O & reg CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H2O

CO + 0,5 H 2 O & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H2O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NH 2 + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3) 3 NH + 1,5H 2 O & reg 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Uma vez que os metanógenos, como anaeróbios obrigatórios, requerem um potencial redox de menos de -300 mV para o crescimento, seu isolamento e cultivo foram um tanto elusivos devido às dificuldades técnicas encontradas em manuseá-los sob condições completamente livres de O 2. No entanto, como resultado de técnicas de isolamento de metanogênio muito melhoradas desenvolvidas por Hungate (6), mais de 40 cepas de metanogênios puros foram agora isoladas. Os metanógenos podem ser divididos em dois grupos: H 2 / CO 2 - e consumidores de acetato. Embora alguns dos consumidores de H 2 / CO 2 sejam capazes de utilizar formato, o acetato é consumido por um número limitado de cepas, como Methanosarcina spp. e Methanothrix spp. (agora, Methanosaeta), que são incapazes de usar formato. Uma vez que uma grande quantidade de acetato é produzida no ambiente natural (Fig. 4-1), Methanosarcina e Methanothrix desempenham um papel importante na conclusão da digestão anaeróbia e no acúmulo de H 2, que inibe acetogênios e metanogênios. Metanógenos consumidores de H2 também são importantes para manter baixos níveis de H2 atmosférico.

Os metanógenos que consomem H 2 / CO 2 reduzem o CO 2 como um aceptor de elétrons através dos níveis de formila, metenila e metila por meio da associação com coenzimas incomuns, para finalmente produzir CH 4 (7) (Fig. 4-3). A reação acetoclástica geral pode ser expressa como:

Como uma pequena parte do CO 2 também é formada a partir do carbono derivado do grupo metil, suspeita-se que o potencial reduzido produzido a partir do grupo metil pode reduzir o CO 2 a CH 4 (8).

On the basis of homologous sequence analysis of 16S rRNAs, methanogens have been classified into one of the three primary kingdoms of living organisms: the Archaea (Archaebacteria). The Archaea also include major groups of organisms such as thermophiles and halophiles. Although Archaea possess a prokaryotic cell structure and organization, they share common feature with eukaryotes: homologous sequences in rRNA and tRNA, the presence of inn-ones in their genomes, similar RNA polymerase subunit organization, immunological homologies, and translation systems.

Recombinant DNA technology is one of the most powerful techniques for characterizing the biochemical and genetic regulation of methanogenesis. This necessitates the selection of genetic markers, an efficient genetic transformation system, and a vector system for genetic recombination as prerequisites.

Genetically marked strains are prerequisites for genetic studies: these strains can be employed to develop a genetic-exchange system in methanogens based on an efficient selection system. Since growth of M. thermoautotrophicum is inhibited by fluorouracil, analogue-resistant strains were isolated by spontaneous mutation. Other mutants resistant to DL-ethionine or 2-bromoethane sulfonate (coenzyme M analogue), in addition to autotrophic mutants, were obtained by mutagenic treatment. Several autotrophic strains were also obtained for the acetoclastic methanogen, M. voltae. These mutant strains are listed in Table 4-4.

Although some methanogen genes such as amino acid and purine biosysnthetic genes, transcription and translation machinery genes, and structural protein genes, have been cloned, genes encoding enzymes involved in methanogenesis were chosen as "methane genes" here.

Methyl CoM reductase (MR Fig. 4-3) constitutes approximately 10% of the total protein in methanogenic cultures. The importance and abundance of MR inevitably focused initial attention on elucidating its structure and the mechanisms directing its synthesis and regulation. MR- encoding genes have been cloned and sequenced from Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum and M. fervidus.

Formylmethanofuran transferase (FTR) catalyzes the transfer of a formyl group from formylmethanofuran (MFR) to tetrahydromethanopterin (H 4 MPT) (Fig. 4-3, 4-2). The FTR-encoding gene from M. thermoautotrophicum has been cloned, sequenced, and functionally expressed in E. coli. Formate dehydrogenase (FDH) may sometimes account for 2 to 3% of the total soluble proteins in methanogenic cultures. The two genes encoding the a ± and a ² subunits of FDH have been cloned and sequenced from M formicicum. In addition, the genes encoding F 420 -reducing hydrogenase (Fig. 4-3), ferredoxin, and ATPase have also been cloned.

Table 4-4 Auxotrophic and Drug-Resistant Mutants Applicable To Gene Transfer Experiments