Microbiologia: Canadian Edition

• Ilustrar e descrever brevemente os requisitos mínimos, óptimos e máximos de temperatura para o crescimento
• Identificar e descrever diferentes categorias de micróbios com requisitos de temperatura para o crescimento: psicrofilo, psicrotrófico, mesófilo, termófilo, hipertermofilo

li>Dê exemplos de microrganismos em cada categoria de tolerância à temperatura

p>Quando a exploração do Lago Whillans começou na Antárctida, os investigadores não esperavam encontrar muita vida. As constantes temperaturas subzero e a falta de fontes óbvias de nutrientes não pareciam ser condições que suportassem um ecossistema próspero. Para sua surpresa, as amostras recuperadas do lago mostraram uma vida microbiana abundante. Num cenário diferente mas igualmente duro, as bactérias e arquebactérias crescem no fundo do oceano em torno de aberturas de mar profundo (Figura 9.38), onde as temperaturas podem atingir 340 °C (700 °F). De facto, algumas dessas bactérias e arquebactérias são os principais produtores do ecossistema de respiradouros, fornecendo carbono fixo para os outros organismos.

Unlike other environmental conditions such as pH or osmolarity, microbes no have no way to regulate their temperature: their internal temperature matches that of their environment. As mudanças de temperatura têm o maior efeito sobre as enzimas e a sua actividade, com uma temperatura óptima que leva ao metabolismo mais rápido e à consequente taxa de crescimento. Temperaturas abaixo do óptimo conduzirão a uma diminuição da actividade enzimática e a um metabolismo mais lento, enquanto temperaturas mais elevadas podem na realidade desnaturar proteínas tais como enzimas e proteínas portadoras, levando à morte celular. Como resultado, os micróbios têm uma curva de crescimento em relação à temperatura com uma temperatura óptima à qual a taxa de crescimento atinge picos, bem como temperaturas mínimas e máximas onde o crescimento continua mas não é tão robusto. Para uma bactéria, o intervalo de crescimento é tipicamente de cerca de 30 graus (Figura 9.39).

A tendência ascendente das taxas de crescimento entre psicrófilos e hipertermófilos é atribuída à relação entre a energia térmica e a taxa de reacções químicas e tem sido denominada o “efeito Arrhenius”. Esta é uma referência à equação de Arrhenius que descreve a relação entre a temperatura e a velocidade de uma reacção química.

Mesófilos

Organismos categorizados como mesófilos (“amor do meio”) estão adaptados a temperaturas moderadas, com temperaturas óptimas de crescimento que variam desde a temperatura ambiente (cerca de 20 °C) até cerca de 45 °C. Como seria de esperar da temperatura central do corpo humano, 37 °C (98,6 °F), a microbiota humana normal e os agentes patogénicos (por exemplo, E. coli, Salmonella spp., e Lactobacillus spp.) são mesófilos. Os mesófilos ocupam os mesmos ambientes que os humanos, em termos de alimentos que comemos, superfícies que tocamos, e água em que nadamos e bebemos.

Psicrófilos

Os psicrófilos são os amantes do frio, com um óptimo 15oC ou inferior e uma gama de crescimento de -20oC a 20oC. A maioria destes micróbios encontra-se nos oceanos, onde a temperatura é frequentemente de 5oC ou mais fria. Podem também ser encontrados no Árctico e na Antárctida, vivendo no gelo onde quer que possam encontrar bolsas de água líquida. Os organismos recuperados de lagos árcticos, como o Lago Whillans, são considerados psicrófilos extremos. Adaptação à evolução fria necessária de proteínas específicas, particularmente enzimas, que ainda podem funcionar em baixas temperaturas. Estas enzimas são mais flexíveis do que os seus homólogos mesófilos e termofílicos e têm locais catalíticos mais acessíveis para acomodar taxas de difusão mais lentas. Este aumento de flexibilidade teve um custo, dado que as proteínas psicrofílicas desnaturam rapidamente acima da sua óptima temperatura. A adaptação ao crescimento a temperaturas mais baixas exigiu também a modificação da membrana plasmática para a manter semifluida. Os psicrofilos têm uma quantidade aumentada de ácidos gordos insaturados e de cadeia mais curta. Finalmente, os psicrofilos produzem crioprotectores: proteínas especiais ou açúcares que impedem o desenvolvimento de cristais de gelo prejudiciais. Os psicrotófilos ou micróbios tolerantes ao frio têm um intervalo de 0-35oC, com um óptimo de 16oC ou superior. Encontram-se em muitos ambientes naturais em climas temperados e são responsáveis pela deterioração dos alimentos refrigerados. O patogénico humano Listeria monocytogenes é um exemplo. Cresce nas entranhas do gado, pode contaminar a carne, o leite e as culturas, mas ao contrário dos típicos agentes patogénicos humanos mesófilos, cresce a temperaturas refrigeradas. As infecções de origem alimentar resultam do consumo de alimentos prontos a consumir, incluindo alface, queijos não pasteurizados e cortes a frio. Por serem activos a baixa temperatura, os psicrofilos e os psicrotróficos são importantes decompositores em climas frios. e as suas enzimas são de interesse para a biotecnologia.

Termófilos e Hipertermofilos

Os organismos que crescem a temperaturas óptimas de 50 °C a um máximo de 80 °C são chamados termófilos (“heat loving”). Não se multiplicam à temperatura ambiente. Os termófilos são amplamente distribuídos em fontes termais, solos geotérmicos, e ambientes artificiais, tais como pilhas de composto de jardim onde os micróbios decompõem os resíduos orgânicos. Exemplos de termófilos incluem Thermus aquaticus e Geobacillus spp. Mais acima na escala de temperaturas extremas encontramos os hipertermófilos, que se caracterizam por um crescimento entre 80 °C e um máximo de 110 °C, com alguns exemplos extremos que sobrevivem a temperaturas superiores a 121 °C, a temperatura média de um autoclave. As aberturas hidrotermais no fundo do oceano são um excelente exemplo de ambientes extremos, com temperaturas que atingem cerca de 340 °C (Figura 9.38). Os micróbios isolados das aberturas alcançam um crescimento óptimo a temperaturas superiores a 100 °C. Exemplos dignos de nota são Pyrobolus e Pyrodictium, arquebactérias que crescem a 105 °C e sobrevivem à autoclavagem. Tanto os termófilos como os hipertermofilos requerem enzimas especializadas resistentes à desnaturação e ao desdobramento. Em contraste com os seus homólogos psicrofílicos, estão mais dobrados, tornando-os menos flexíveis com um sítio catalítico menos acessível. Além disso, estes organismos expressam proteínas protectoras de chaperone para ajudar na dobragem de proteínas e para ajudar a manter a sua estrutura nativa. As enzimas destes organismos são também de interesse para a biotecnologia. Foi a descoberta de Thermus aquaticus que levou o bioquímico Kary Mullis a inventar a técnica revolucionária da PCR (Polymerase Chain Reaction), utilizando a DNA polimerase termo-activa do organismo (a Taq polimerase). Esta técnica é utilizada em todos os campos da biologia e, em combinação com os avanços da sequenciação e o desenvolvimento da metagenómica, revolucionou o campo da microbiologia. O Dr. Mullis recebeu o Prémio Nobel da Química em 1993.

p>Adaptação a temperaturas de crescimento mais elevadas também exigiu adaptações para manter a consistência semifluida da membrana plasmática. Os lípidos da membrana destes organismos contêm um elevado teor de ácidos gordos saturados. Devido às suas estruturas lineares, os lípidos saturados encapsulam-se mais firmemente, dando uma membrana mais organizada e aumentando a sua temperatura de fusão. Além disso, a ligação éter da arca termófila e hipertermófila é mais termo-estável do que a ligação éster dos fosfolípidos. A elevada estabilidade térmica das membranas hipertermofílicas do arquebactéria é também devida à sua estrutura de monocamada de tetraéter, uma vez que as camadas internas e externas de um bocal de membrana se irão separar sob temperaturas muito elevadas.

Adaptação às flutuações de temperatura

A capacidade de adaptação às flutuações de temperatura permite aos organismos sobreviverem, se não crescerem, a temperaturas iguais ou próximas das mínimas e máximas. A maioria dos organismos pode alterar os tipos de lípidos que estão a sintetizar em resposta a tais flutuações. Além disso, a indução de choque térmico, ou proteínas de choque frio, são respostas globais ao stress que envolvem a expressão de proteínas de chaperone que podem ajudar a dobrar proteínas desdobradas ou podem formar conchas protectoras em torno de proteínas para evitar a sua desnaturação. É importante lembrar, contudo, que esta capacidade não altera a temperatura óptima de crescimento do organismo: assim, o facto de E. coli poder sobreviver num hambúrguer mal cozido não faz dele um termófilo ou hipertermófilo!

Aplicações práticas

algumas das aplicações práticas dos efeitos destrutivos do calor sobre os micróbios são a esterilização por vapor, pasteurização, e incineração de loops inoculadores. Enquanto a refrigeração e o congelamento são utilizados para a conservação de alimentos, o congelamento at-80 °C, ou mesmo inferior com azoto líquido, é utilizado para a conservação a longo prazo de culturas bacterianas e arqueológicas. Os efeitos nocivos da formação de cristais de gelo podem ser evitados misturando suspensões líquidas de células com soluções estéreis do crioprotector de glicerol. As culturas podem suportar a secagem por congelação (liofilização) e depois ser armazenadas como pós em ampolas seladas para serem reconstituídas com caldo quando necessário.

Vida em ambientes extremos levanta questões fascinantes sobre a adaptação de macromoléculas e processos metabólicos. A astrobiologia é uma disciplina relativamente nova que envolve investigação multidisciplinar sobre a origem, evolução e distribuição da vida no universo. Estudos dos psicrófilos e (hiper)termófilos podem informar a nossa compreensão da evolução da vida na Terra (e possivelmente noutros lugares) durante os dias mais quentes do jovem planeta, e a possível existência de vida nos ambientes geralmente mais frios no espaço, e em particular, em Marte.

Visitar o website de astrobiologia da NASA para aprender mais sobre esta disciplina, e aprender como os estudos de cianobactérias extremófilas podem fornecer informação sobre a possibilidade de vida microbiana em Marte