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TAXONOMÍA Y EVOLUCIÓN TAXONOMÍA Y EVOLUCIÓN BACTERIANABACTERIANA
- BACTERIAS
Pared celular
Cultivables “in vitro”
- BACTERIAS VASCULARES
Pared celular ondulada
Cultivables “in vitro” con dificultad
Viven en el xilema
Se transmiten por Insectos
- MICOORGANISMOS SEMEJANTES A BACTERIAS
Pared celular
No se pueden cultivar “in vitro”
Viven en el floema y/o en el xilema
- ACTINOMICETOS
Pared celular
Cultivables “in vitro”
Forman “micelio”
-MOLICUTES
Carecen de pared celular
Viven en el floema
Se transmiten por Insectos
Sensibles a las Tetraciclinas
* ESPIROPLASMAS
Cultivables “in vitro”
Espiral
* FITOPLASMAS
No se pueden cultivar “in vitro”
Esféricos, pleomóficos
Clasificación estructura los organismos en grupos (taxones) en base
a su similitud
Nomenclatura
asigna nombres a los taxones
Identificación determina a que taxones pertenece un organismo que
se aisla
TAXONOMÍA
• Taxonomía– Caracterización exhaustiva– Aplicación de teoría y método de clasificación– Formación de grupos taxonómicos (taxones)– Nomenclatura
• Identificación– Caracterización por número limitado de
tests adecuados al problema– Comparación con spp conocidas– Asignación a una sp – No identificado: estudio taxonómico
• unidad taxonómica básica
• grupo de cepas que tiene un alto grado de similitud en sus propiedades y que difieren en forma significativa de otros grupos de cepas
• Cepa: población de organismos que desciende de un único organismo
ESPECIE
• Concepto en revisión continua
ESPECIE BACTERIANA
•Actualmente el criterio es POLIFÁSICO (combinación de características fenotípicas y genómicas)
• Definición metodológica estándar:
- % de hibridación ADN1-ADN2 > 70%
- ΔTm < 5ºC (estabilidad térmica del híbrido ADN1-ADN2)
Longitud de onda (nm)
ADN simple hebra
ADN doble hebra
Abs
orba
ncia
220 260 300
Abs
. re
lativ
a 26
0 nm
80 90 100temperatura (ºC)
Tm = 86ºC
ADN doble hebra
ADN simple hebra
desnaturalización
Tm: punto medio del perfil de desnaturalización térmica de ADN-ADN o de ADN-ARN
Aumento de absorbancia del ADN a 260nm por desnaturalizacion
Ensayo de reasociación de ADN-ADN para cepas a y b
Curvas de desnaturalización térmica de ADN homoduplex y heteroduplex
Taxones: Dominio
Phylum
Clase
Orden
Familia
Género
Especie
Sub-especie
importancia en estudios clínicos y ecológicos
RANGOS TAXONOMICOS EN CLASIFICACION BACTERIANA
Sistema binomial de nomenclatura
(Linneo)
Escherichia coli
Escherichia coli o E. coli
Dominio Phylum Clase Orden Familia Genero Especie
Bacteria Proteobacteria Gamma Proteobacteria Zymobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia Escherichia coliEscherichia coli
•serovariedad o serotipo (antígenos distintos)
•fagovariedad (tipificación por fagos)
•biovariedad (diferencias bioquímicas y fisiológicas)
•patovariedad (patogenicidad)
•morfovariedad (diferencias morfológicas)
•genomovariedad (grupos con ADN similares)
Categorías de clasificacion a nivel de sub-especie (tipificación)
Variedades o tipos
Bergey´s Manual of Determinative Bacteriology
1923 (1ed)-1994 (9ed)
Bergey´s Manual of Systematic Bacteriology 1a Ed 1984(vol 1)-1989(vol 4)
Bergey´s manual of Systematic Bacteriology 2a
Ed 2001(vol 1)
The Prokaryotes (http:/www.prokaryotes.com)
PUBLICACIONES
International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (antes IJSB). Publicado por la Sociedad General de Microbiología
Otros: Applied and Environmental Microbiology, Systematic Applied Microbiology
COLECCIONES (cepas tipo y otras)
ATCC (American Type Culture Collection)
DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zelkulturen, Colección alemana)
CIP (Colección del Instituto Pasteur, Francia)
Taxonomía bacteriana
CLÁSICA
• caracteres fenotípicos (morfología, nutrición, etc.)
• algunos genotípicos: % G+C, hibridación ADN-ADN
• ponderación de caracteres (llaves dicotómicas)
Características fenotípicas clásicas de valor taxonómico
Morfología: forma, tamaño y tinción
Nutrición y fisiología: fotótrofo, quimiótrofo, aerobio o anaerobio, temperatura y pH óptimos, fuentes alternativas de C, N y S
Movilidad: tipo y disposición de flagelos
Otros: pigmentos, inclusiones celulares, sensibilidad a antibióticos, patogenicidad
• Contenido G+C % G+C = G + C x 100
G + C + A + Tdeterminación por gradiente de CsCl, desnaturalización térmica o cromatografía
Amplio rango en procariotas: 20 al 80%Poca información para la caracterización taxonómica
criterio de exclusión: %GC > 3, probablemente especies diferentes
%GC > 10, probablemente géneros diferentes
Características genotípicas clásicas
• Hibridación ADN-ADN
- depende de la secuencia completa del genoma - útil en organismos estrechamente relacionados
- determinación por: % hibridación de ADN1 - ADN2
Δ Tm del híbrido
- es el criterio actual de definición de especie
NUMÉRICA
• Agrupación de unidades taxonómicas o taxones por métodos numéricos
• Se basa en un gran número de caracteres
• Cada carácter tiene igual peso
• La similitud es función de la proporción de caracteres comunes
NUMÉRICA
- caracteres fenotípicos (no menos de 60)
- coeficiente de semejanza = a + d .
a + b + c + d
a: número de caracteres positivos en ambas cepas
b: número de caracteres positivos sólo en cepa 1
c: número de caracteres positivos sólo en cepa 2
d: número de caracteres negativos en ambas cepas
Desventajas de una clasificación artificial
• No permite inferir propiedades• No permite comprender microorganismos
que no se han cultivado en el laboratorio• No permite estudiar el origen y evolución
de funciones celulares (resistencia a antibióticos, aerobiosis, fotosintesis)
Clasificación natural
Estructura los organismos en taxones cuyos miembros reflejan tanto como sea posible su naturaleza biológica.
Es ventajosa si además establece relaciones evolutivas
POLIFÁSICA
Fenotípicos: - clásicos (morfología, nutrición, etc) - marcadores
quimiotaxonómicos- perfil de proteínas
totales y enzimas
Filogenéticos: basados en el gen del ARNr 16S
Genotípicos: clásicos: % G+C hibridación DNA-DNA
nuevos: fingerprinting (ej. perfiles moleculares por restricción o amplificación de ADN)
Es la tendencia moderna. Consenso en la integración de distintos tipos de caracteres:
Esquema de las técnicas e información más frecuente empleadas en la taxonomía polifásica (Vandamme et al., 1996).
Marcadores quimiotaxonómicos
Características
- análisis químico con equipamiento especializado
- no son universales, muy útiles dentro de algunos grupos
- alto grado de discriminación
- presentes en distintas estructuras celulares
CARACTERES FENOTIPICOS
• Pared: peptidoglicanos en todas las bacterias salvo en Planctomyces y Mycoplamas
• Membrana externa Gram negativos: lipopolisacáridos
• Membrana citoplasmática: acidos grasos (Fatty Acid Methyl Ester), ácidos micólicos en un grupo de bacterias Gram positivas (Actinomicetes), pigmentos carotenoides en bacterias fotótrofas anoxigénicas.
• Cadena de transporte electrónico: citocromos, quinonas.
• Sistema fotosintético: bacterioclorofilas.
• Citoplasma: poliaminas en metanogénicas y Gram negativas
• Plantean hipótesis de evolución (determina relaciones de parentesco entre las especies)
• Compara la secuencia de moléculas (cronómetros evolutivos) y establece la relación entre ellas
• Las secuencias de las moléculas son el registro histórico de la evolución
CARACTERES CARACTERES FILOGENETICOSFILOGENETICOS
PROPIEDADES DE UN BUEN CRONÓMETRO EVOLUTIVO
– distribución universal (presente en todos los organismos)
- función homóloga en todos los organismos
- secuencias con zonas altamente conservada para distancias evolutivas grandes (alineamiento) y algunas zonas variables
- ausencia de transferencia horizontal
- cantidad de informacion suficiente
•ARNr: 5S, 16S y 23S (Carl Woese)
•Factor de Elongación Tu
•Subunidad beta de ATPasa
•RecA
•Genes funcionales
Moléculas usadas para la determinación de relaciones filogenéticas de organismos
ARNr en Procariotas
Nombre Tamaño Ubicación (nucleótidos)
5S 120 Subunidad mayor del ribosoma
16S 1500 Subunidad menor
23S 2900 Subunidad mayor
Arboles filogéneticos
Arboles filogenéticos
• Uso de programas para alinear secuencias y construir árboles filogenéticos
• Longitud de la línea entre organismos es proporcional a la distancia evolutiva
• Similitud de secuencias implica similitud en los genes
Ejemplo de un árbol filogenético basado en el gen ARNr 16S. La barra
indica la sustitución de 10 nucleótidos cada 100
• Estructura primaria: Dominios de conservación universal Regiones altamente variables Dominios de nivel intermedio de
conservación, con cambios de secuencia, pero conservación de estructura secundaria
• Estructura secundaria: Similar en todos los organismos Acotada por su función en la síntesis de
proteínas: función ancestral
Secuencia del ARNr 16S
Estructura secundaria del ARNr 16S de E. coli
Líneas gruesas: dominios de conservación universal
Líneas normales: dominios de conservación intermedia
Líneas punteadas: regiones hipervariables
ARBOL FILOGENETICO UNIVERSAL
Bacteria Archaea EucaryaPeptidoglicano Sí No No
Lípidos Enl. ester Enl. eter Enl. ester
Ribosomas 70S 70S 80S
tRNA iniciador Formilme-tionina
Metionina Metionina
I ntrones en tRNA No Sí Sí
RNA polimerasa Una(4 subun)
Varias(8-12 subun)
Tres(12-14 subun)
Ribosoma sensible a:Toxina diftérica No Sensible Sensible
CloranfenicolKanamicinaEstreptomicina
Sensible No No
Características diferenciales entre Bacteria, Archaea y Eukarya
Secuencias signaturas o firma en ARNr
Oligonucleótidos o bases presentes en determinadas posiciones en ciertos grupos de organismos
Ejemplos:
AAACUCAAA (posición 910) en Bacteria
CACACACCG (posición 1400) en Archaea
C (posición 47) en gamma-Protebacteria, Cianobacteria, Bacteroides, Grampositivos
Arbol del ARNr 16S
• Termofilia representada en los grupos mas profundos de Archaea y Bacteria
• Muchos de los linajes profundos son anerobios o microaerofílicos
• Fotosíntesis basada en clorofilas: distribuida en varios linajes de Bacteria
Termofilia en todos los miembros de la rama
Termofilia en algunos miembros de la rama
Propiedades definidas genéticamente que han cambiado
poco
• Estructura de la pared celular:
– peptidoglicano solo presente en Bacteria
– Gram +: linaje filogenéticamente coherente
• Lípidos de membrana (ésteres o éteres)
• Metanogénicos: todos pertenecen a uno de los 4 linajes dentro de Archaea
Caracteres que confirman el árbol universal construido a partir del ARNr
16S • Principales diferencias entre dominios Bacteria,
Archaea y Eukarya
• Procariotas actuales mas cercanos al ancestro relacionadas con las condiciones fisicoquímicas en el origen de la vida: Aquifex y Methanopyrus (termofilia, anaerobiosis)
• Características de los Eukarya mas cercanos a los procariotas: Giardia y Microsporidia
• Secuencias de otras moléculas, especialmente las ligadas a la replicacion, transcripción y traducción
Microsporidia y Giardia: carecen de mitocondria, son parásitos obligados, tienen genoma un poco mayor que los procariotas.
Caracteres similares en taxones filogenéticamente distantes
Chloroflexus y Chlorobium
ambos poseen clorosomas con similar función y estructura, pero diferentes centros de reacción
posibles explicaciones:
transferencia lateral
evolución independiente
el gen del ARNr 16S aportaría información limitada
Arbol del dominio Bacteria
DOMINIO BACTERIA
Actualmente con mas de 40 divisiones (phylum), algunas sin organismos cultivados (secuencias ambientales)
Phylum mejores caracterizados: Proteobacteria (α,β,γ,δ,ε), Gram positivos (LowGC y HighGC)
Origen de mitocondrias (phylum Proteobacteria) y cloroplastos (phylum Cyanobacteria)
Relación entre la definición de especie bacteriana y el análisis del gen ARNr 16S
En general se cumple: secuencia del gen del ARNr 16S difiere en mas del 3% con el resto de las secuencias conocidas de bacterias entonces el % de hibridación ADN-ADN es menor al 70%
especies diferentes
Definición especie: % de hibridación ADN1-ADN2 > 70%
COMPLETAR IDENTIFICACIÓN DE CULTIVOS PUROS
ANÁLISIS DE COMUNIDADES SIN CULTIVO
Secuencia del gen ARNr 16S
Se emplea frecuentemente para:
ANÁLISIS DE LA SECUENCIA DEL GEN ARNr 16S PARA
LA IDENTIFICACIÓN DE UNA CEPA BACTERIANA
> 3% < 3%
Diferencia de secuencia con la cepa mas similar
Alineamiento y corrección de la secuencia
Comparación con bases de secuencias(http://rdp.cme.msu.edu/html http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank)
NUEVA CEPA DE LA MISMA ESPECIE
< 70%
Hibridación ADN-ADN
pruebas fenotípicas
similaresdiferentes
> 70%
Confirmación con pruebas fenotípicas y genotípicas diferentes
NUEVA ESPECIE
¿Por qué hay tanta diversidad entre los Procariotas (Archaea y
Bacteria)?
• son ancestrales
• son ubicuos: ambientes extremos, parásitos o simbiontes de Eukarya
• representan la mayor diversidad de seres vivos, mucha de la cual esta aún inexplorada
Ejemplos de diversidad: estructura y función
• Pared: bacterias sin pared (Mycoplasmas, Thermoplasmas)
• Membranas: diferente composición (Mycobacterium)
• Forma: Espiroquetas, bacterias con prostecas (Caulobacter), formacion de hifas (Streptomyces)
• Mecanismos de movimiento: bacterias deslizantes (Beggiatoa)
• Diferenciacion celular: microcistos de Cyanobacterias, comportamiento social (Myxobacterias)
• Comportamiento frente a otras bacterias: predación (Bdellovibrio)
• Obtención de energía independiente del trasporte de electrones (fosforilación oxidativa o fotosíntesis) y la fermentación, ej.decarboxilasas en Oxalobacter formigenes
•Origen de la tierra 4600 millones de años
•Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
•Temperatura > 100°C
•Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos)
•Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
•Célula moderna: ADN ARN Proteína
•Origen de eucariotas: teoría endosimbiótica
ORIGEN DE LA VIDA
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