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    11. TaxonomíA 11. TaxonomíA Presentation Transcript

    • Unidad 5. Diversidad del Mundo microbiano Objetivos Conocer Los microorganismos más importantes y sus características Las diferentes aplicaciones de la microbiología Asimilar -Los microorganismos evolucionan, los mutantes mejor adaptados a un medio son seleccionados. Frecuentemente esta evolución no supone una alteración de las capacidades de los microorganismos pero permite clasificarlos filogenéticamente Comprender y discutir -La diversidad microbiana y su cambiante clasificación
    • UNIDAD V.- Diversidad del Mundo microbiano Tema 11.-. Taxonomía bacteriana: Introducción. Concepto de especie. Clasificación fenética y filogenética. Filogenia molecular. Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida. Estimación de la diversidad microbiana
    • Introducción Taxonomía Ciencia de la clasificación biológica, se compone de 3 partes separadas pero interrelacionadas • clasificación – ordenación de los organismos en grupos o taxones (taxa) • nomenclatura – asignación de nombres a grupos taxonómicos • identificación – determinación del taxón al que pertenece la muestra aislada Importancia de la taxonomía • permite a los científicos organizar una gran cantidad de datos • permite a los científicos hacer predicciones y plantear hipótesis sobre los organismos • sitúa los organismos en grupos con sentido y útiles, con nombres precisos, de forma que se facilite la comunicación científica • esencial para la identificación precisa de los organismos • Sistemática: estudio de los organismos cuyo objetivo final es caracterizarlos y ordenarlos siguiendo unas pautas.
    • Introducción Los organismos se agrupan en rangos taxonómicos. Cada rango constituye un grupo que puede subdividirse en uno o más grupos no solapados que constituyen otro nuevo rango Un ejemplo de rangos taxonómicos y • los nombre de todos los rangos sus nombres taxonómicos se escriben en cursiva (o subrayados si se escriben a Rango Ejemplo mano) • los microbiólogos emplean frecuentemente nombres informales – ej. bacterias púrpuras, espiroquetas, bacterias oxidantes de metano
    • concepto de especie Género– grupo bien definido de una o más especies que está bien separado de otros géneros Definición de especie procariota • no se puede usar una definición basada en la posibilidad de cruzarse ya que los procariotas son asexuales • dos definiciones frecuentes …y ambiguas – colección de cepas que comparten numerosas propiedades estables y difieren significativamente de otros grupos de cepas (¿numerosas???) – colección de cepas con una composición en G + C (% de guanina + citosina) similar y una similitud en su secuencia ≥ 70% (¿Qué secuencia?) Cepas o variedades (Ing. Strains) • Una población de organismos que se distingue de otras entre un taxón • Descienden de un solo organismo o cultivo puro aislado • unas cepas pueden variar de otras por numerosas características – biovariedad – se diferencia por propiedades bioquímicas y fisiológicas – morfovariedad – se diferencia por la forma – serovariedad – se diferencia por las propiedades antigénicas – ecovariedad – se diferencia por el ecosistema en el que se encuentra Especie tipo (Ing. Type strain) – frecuentemente la primera cepa estudiada de una especie y, en general, la mejor estudiada. No necesariamente es el miembro más representativo
    • concepto de especie Diversidad genética de Escherichia coli:….. Son de la mis especie
    • clasificación fenética y filogenética Nomenclatura: Sistema binomial • cada organismo se describe con dos nombres – nombre genérico – en cursiva y mayúscula (ej., Escherichia) – epíteto específico – en cursiva y minúscula (ej., coli) Sistemas de clasificación • clasificación natural* – organiza los organismos en grupos cuyo miembros comparten numerosas características – es el mejor sistema ya que refleja la naturaleza biológica de los organismos • dos métodos principales para construir esta clasificación natural – fenéticamente (clasificación fenética) • los organismos se agrupan juntos según las semejanzas de sus características fenotípicas – Filogenéticamente (clasificación filogenética) • los organismos se agrupan según sus probables relaciones evolutivas • frecuentemente estos dos métodos son coincidentes ya que la evolución da como resultado organismos similares * otros sistemas de clasificación como los numéricos solo se emplean cuando apenas se conocen las características del organismo o como denominación provisional Ej. Synechococcus PCC 7942
    • clasificación fenética y filogenética Clasificación Fenética se ordenan y Matriz de similitud agrupan para formar dendograma grupos (clusters) • dendograma – diagrama en forma de árbol que se emplea para mostrar los resultados • Fenón – grupo de organismos con la mayor similitud – Fenón con > 80% similitud = Especies bacterianas
    • clasificación fenética y filogenética Clasificación filogenética • también llamado sistema de clasificación filética • filogenia – desarrollo evolutivo de las especies • Evolución: cambio en las características genéticas de una población • frecuentemente se basa en la comparación directa del material genético y sus productos genéticos Características principales empleadas en taxonomía • Dos tipos principales – características clásicas Características clásicas – características moleculares • morfológicas • fisiológicas y metabólicas • ecológicas • análisis genético: Presencia o Características moleculares ausencia de genes • comparación de proteínas Hay un antes y un • composición en bases de ácidos nucleicos % G+C después de la • hibridación de ácidos nucleicos implantación de la • secuencias de ácidos nucleicos biología molecular
    • clasificación fenética y filogenética Antes de la biología molecular se comparaban características morfológicas Esto sigue siendo útil para macroorganismos (pinzones, por ejemplo)......... Bacillus anthracis Bacillus japonicum pero no con las bacterias...
    • clasificación fenética y filogenética El estudio de las características moleculares (basada en secuencias de ácidos nucleicos y proteínas) frente a las morfológicas y/o bioquímicas tienen numerosas ventajes • Estrictamente heredable e inambiguos • Hay modelos de evolución accesibles al análisis matemático • Más fácil de valorar homogéneamente (solo se comparan 4 nucleótidos y 20 amino ácidos) • Puede comparar distancias evolutivas • Muy abundante, las muestras de ADN son fáciles de preparar y secuenciar El empleo de las características moleculares se basa en la premisa de organismos que tienen genes similares muestran la misma similitud a nivel fisiológico Estimación de la filogenia* microbiana • las secuencias de ácidos nucleicos y proteínas pueden compararse alineándolas • estas comparaciones se representan adecuadamente en árboles filogenéticos • identifica cronómetros moleculares y/o otras características que se emplean en la comparación de organismos • los árboles filogenéticos representan las relaciones evolutivas – árbol enraizado – tiene un nodo que representa el ancestro común – en el árbol sin raíz se desconoce el ancestro común *Filogenia: Relaciones evolutivas entre organismos basadas en un ancestro común
    • La clasificación natural filogenética de bacteria, arqueas y eucariotas se basa en la secuencia de nucleótidos de un componente de los ribosomas común a todos los seres vivos Los caracteres morfológicos y fisiológicos de las bacterias, estudiados en la microbiología clásica, son reconsiderados a la luz de la evolución ………..pero no sin dificultades
    • filogenia molecular Descriptores del Árbol filogenético • Raíz: nudo ancestral de todos los elementos del árbol Rama externa • Nudo: punto en el que confluyen dos o Rama interna más ramas. Representa los 0.066 acontecimientos evolutivos Gallus correspondientes a las divergencias 0.01 desde un hipotético ancestro Clade 0.011 • Clade: el nudo y todo lo que surge de él Rattus Raiz 0.012 • Linajes o ramas: líneas entre dos nudos (Rama interna) o entre un nudo y una hoja Mus ,ó extremo (Rama externa) • La longitud horizontal de la rama es 0.038 0.025 proporcional a la distancia evolutiva entre Bos las secuencias y sus ancestros (unidad = sustituciones / sitio) Nudo Homo • Topología del árbol: distribución y 0.011 agrupamiento de las ramas en el árbol = Hoja orden de las ramas entre los nodos Distancia evolutiva OTU: Unidad Taxonómica operativa
    • filogenia molecular ¿Qué necesitamos para construir un árbol filogenético? • Necesitamos secuencias para comparar – Obtenidas experimentalmente – Obtenidas de bases de datos • por consulta directa • mediante búsqueda de secuencias homólogas • Necesitamos alinear “comparar” las secuencias – Para esto hay muchos programas en internet Ej. ClustalW • http://www.ebi.ac.uk/clustalw/ • Necesitamos aplicar un modelo evolutivo para reconstruir el pasado de estas secuencias • Necesitamos representar los resultados en forma de árbol
    • filogenia molecular ¿Cómo se obtiene experimentalmente una secuencia de ADN, ARN y proteína? • La secuencia de ADN se obtiene*: – se toma una muestra (un cultivo puro, una muestra de lodo, agua, etc) – se extrae el ADN: hay cientos de kits en el mercado. También se puede extraer con materiales domésticos – se seleccionan los oligonucleótidos para la amplificación por PCR • obtenidas de artículos • obtenidas de bases de datos i.e. RDB – se amplifica por PCR – se envía a secuenciar • Si la muestra corresponde a un cultivo puro se realiza una secuencia • Sí la muestra contiene muchas bacterias distintas se secuencias muchas – La empresa manda la secuencia de ADN por correo electrónico • Las secuencias de ARN se obtienen de la traducción conceptual de secuencias de ADN • Las secuencias de proteínas se obtienen de la traducción conceptual de secuencias de ADN tras la eliminación de los intrones, si los hubiese • Podemos tener las secuencias de genes de organismos que nunca han sido cultivados * También se puede obtener una secuencia de proteína a partir de la secuencia de ADN obtenida por transcripción inversa de una molécula de mRNA
    • filogenia molecular Relojes moleculares • los ácidos nucleicos o proteínas pueden emplearse como relojes para medir la cantidad de cambio evolutivo a lo largo del tiempo • el fundamento es el siguiente – las secuencias cambian gradualmente a lo largo del tiempo – los cambios son selectivamente neutros y ocurren al azar – para un mismo gen o producto génico, la cantidad de cambios aumentan proporcionalmente con el tiempo • La secuencia 16S del rRNA muestra una velocidad evolutiva de 1% de divergencia de secuencias por cada 50 millones de años
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida La filogenia molecular ha cambiado nuestra visión de la evolución de las especies hasta hace poco se creía que... Las bacterias y otros microorganismos eran “fósiles vivientes” en el curso de la evolución “Primitivos” microbios como “lineas evolutivas sin salida”
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Como resultado se describen los 5 reinos Fungi Plantae Animalia Protista Monera
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Actualmente se piensa que todos los organismos han evolucionado y continúan evolucionando en el tiempo a lo largo de líneas divergentes
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida La filogenia molecular está cambiado el concepto de especie La filogenia molecular microbiana modifica el concepto de especie y lo refiere al % de identidad entre secuencias de rRNA
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida El estudio se las relaciones evolutivas entre los seres vivos da como resultado lo que se denomina -el árbol de la vida- “The Tree of Life”: •El árbol se elabora frecuentemente con secuencias de rRNA •la distancia evolutiva en el árbol significa la cantidad y el orden de cambios de las secuencias pero....NO el tiempo desde el que aparecieron ya que: 1. se desconoce la raíz del árbol de la vida 2. la acumulación de mutaciones en los organismos no es idéntica en todos ellos
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Orgánulos El árbol de la vida permite la confirmación de la teoría de la endosimbiosis obsérvese que el organismo con la secuencia rRNA más próxima: • a la de cloroplastos es una cianobacteria (Synechococcus) •a la de mitocondrias es una proteobacteria (Agrobacterium)
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida • actualmente se sostiene que hay 3 dominios entre los seres vivos (Bacteria, Archaea, Eucarya). Esto se basa en el análisis del rRNA
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Manual Bergey’s de sistemática bactereológica • descripción detallada de todas las especies procariotas actualmente identificadas • El Manual está constantemente actualizándose Visión general (y rápida) de la diversidad Archaea Korarchaeota Nanoarchaeota halobacteria Cuatro phyla ocho clases 12 órdenes metanógenas
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Bacteria • metabólicamente y morfológicamente diversas • divididos en 23 phyla
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Dos preguntas ¿Cómo es la punta del árbol? ¿Es muy frondoso el árbol de la vida? o lo que es lo mismo cuál es su diversidad
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida La punta de un iceberg?
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida Diversidad genética de Escherichia coli:
    • Principales grupos evolutivos, el árbol de la vida ¿Es significativa la microheterogeneidad?
    • Diversidad del mundo microbiano Por lo expuesto anteriormente parece que no hay ningún problema a la hora de estimar la diversidad microbiana • Nada más lejos... el problema es que..... – los microorganismos se estudian principalmente desde una perspectiva antropocéntrica • en general la mayoría de los microorganismos son desconocidos salvo aquellos implicados en patologías • se presta poca atención a los estudios de biodiversidad microbiana, por ejemplo – Se conocen más de 500,000 especies de insectos... – y menos de 5,000 “especies” de procariotas “Si diseccionasemos cualquiera de estos insectos encontraríamos en su interior cientos, incluso miles de especies distintas de microorganismos” N. Pace ‘97
    • Diversidad del mundo microbiano ¿Por qué se tiene una perspectiva tan limitada? • Por el pequeño tamaño de los procariotas • Por su limitada diversidad morfológica • La caracterización bioquímica requiere cultivos puros (no siempre posibles) y el número de reacciones bioquímicas y respuestas fisiológicas estudiadas son limitadas Pero.... todo esto cambió con: 1. la introducción de herramientas moleculares en el estudio de la diversidad microbiana 2. el desarrollo de algoritmos que permitan la comparación de secuencias de ADN y proteínas (bioinformática) • Ahora podemos establecer las relaciones filogenéticas de todos los seres vivos • Ahora podemos estimar la biodiversidad microbiana La mayor diversidad reside en el mundo microbiano
    • Diversidad del mundo microbiano Si podemos estudiar la biodiversidad podemos contestar a las siguientes preguntas ¿Cuántos organismos diferentes hay? ¿Qué grado de similitud nos permite decir que son los mismos o diferentes? ¿Cómo están relacionados entre ellos? Su respuesta nos permite caracterizar los ecosistemas microbianos
    • Diversidad del mundo microbiano La mayor diversidad se encuentra en organismos no cultivables Bacteria, 2003 52 Phyla pre-1987 (12) desde 1987 (14 más, cultivadas) desde 1987 (26) no cultivables Rappé and Giovannoni (2003) The uncultured microbial majority. Annu Rev Microbiol, 57: 369-394 ,
    • Diversidad del mundo microbiano El número de phyla no para de crecer a medida que se desarrolla la metagenómica Ej. Sargasso Sea: 1.045 billion base pairs 1.2 million new genes 1.800 species 148 new phyla Venter JC et al. 2004 Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science. 2004 304(5667):66-74.
    • Estimación de la diversidad microbiana La filogenia molecular está cambiado el concepto de especie La filogenia molecular microbiana modifica el concepto de especie y lo refiere al % de identidad entre secuencias de rRNA