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