MICROBIOLOGIA 10ª Edição Gerard J. TORTORA - Cap. 1 O Mundo Microbiano e Você

APLICAÇÕES DA MICROBIOLOGIA

Projeto de jeans: feito por micróbios?

O jeans azul de brim tem se tornado cada vez mais popular desde que Levi Strauss e Jacob Davis fizeram a primeira calça jeans para os mineradores de ouro da Califórnia em 1873. Atualmente, as companhias que fabricam os jeans azuis estão voltando-se para a microbiologia para desenvolver métodos de produção ambientalmente seguros, que minimizem os resíduos tóxicos e os custos associados com o tratamento destes resíduos. Além disso, os métodos microbiológicos podem providenciar matéria-prima renovável abundante.

Stone Washing?

Um brim mais maleável, chamado de Stone- -washed, foi introduzido na década de 1980. O tecido não é realmente lavado com pedras. Enzimas, chamadas de celulases, produzidas pelo fungo Trichoderma, são usadas para digerir parte da celulose do algodão, portanto amaciando- -o. Ao contrário de muitas reações químicas, as enzimas em geral atuam em temperaturas e pHs seguros. Além disso, as enzimas são proteínas, sendo portanto facilmente degradadas para remoção do esgoto doméstico.

Tecido 

A produção de algodão requer grandes extensões de terra e enormes quantidades de pesticidas e fertilizantes, e o rendimento da colheita depende do clima. Contudo, as bactérias podem produzir algodão e poliéster com menos impacto ambiental. Gluconacetobacter xylinus produz celulose ligando unidades de glicose em cadeias simples na membrana externa da parede celular bacteriana. As microfibrilas de celulose são expulsas através de poros na membrana externa, e pacotes de microfibrilas são entrelaçados nas tiras.

Branqueamento 

O peróxido é um agente branqueador mais seguro que o cloro e pode ser facilmente removido do tecido e do esgoto doméstico por enzimas. Os pesquisadores da Novo Nordisk Biotech clonaram um gene de peroxidase de cogumelo em leveduras e cresceram as leveduras em condi- ções de máquina de lavar. As leveduras que sobreviveram foram selecionadas como produtoras de peroxidase. 

Índigo 

A síntese química de índigo azul-escuro requer um pH elevado e produz resíduos que explodem em contato com o ar. Contudo, uma companhia de biotecnologia da Califórnia, a Genencor, desenvolveu um método para produzir índigo utilizando bactérias. Nos laboratórios da Genencor, os pesquisadores introduziram o gene de uma bactéria do solo, Pseudomonas putida, responsável pela conversão do indol (subproduto bacteriano formado a partir da degradação do triptofano) em índigo dentro da bactéria Escherichia coli, que ficou azul.

Plástico 

Os micro-organismos podem até mesmo produzir zíperes plásticos e material de embalagem para os jeans. Cerca de 25 bactérias produzem grânulos de inclusão de poliidroxialcanoato (PHA) como reserva alimentar. PHAs são similares aos plásticos comuns e, por serem produzidos por bactérias, também são facilmente degradados por muitas bactérias. PHAs podem representar um material biodegradável alternativo para substituir o plástico convencional, feito a partir de petróleo.

A bactéria E. coli produz índigo a partir de triptofano.

Bacteria E. coli produtora de índigo

Tipos de micro-organismos 

A classificação e a identificação de micro-organismos são discutidas no Capítulo 10. Aqui apresentaremos uma visão geral dos principais grupos.

Bactérias 

Bactérias (do latim, bacteria, singular: bacterium) são organismos relativamente simples e de uma única célula (unicelulares). Como o material genético não é envolto por uma membrana nuclear, as células bactérias são chamadas de procariotos, palavra grega significando pré-núcleo. Os procariotos incluem as bactérias e as arquibactérias.

As células bacterianas apresentam uma entre as várias formas possíveis. Os bacilos (em forma de bastão), ilustrado na Figura 1.1a, os cocos (esféricos ou ovoides) e os espirilos (em forma de saca-rolha ou curvados) estão entre as formas mais comuns, mas algumas bactérias apresentam forma de estrela ou quadrada (veja as Figuras 4.1 a 4.5, nas páginas 78 e 79). As bactérias podem formar pares, cadeias, grupos ou outros agrupamentos; tais formações geralmente são características de um gênero particular ou uma espécie de bactérias.

As bactérias são envolvidas por uma parede celular que é praticamente composta por um complexo de carboidrato e proteína chamado de peptideoglicano. (Por comparação, a celulose é a principal substância das paredes celulares de plantas e algas.) As bactérias geralmente se reproduzem por divisão em duas células iguais; esse processo é chamado de fissão binária. Para a sua nutri- ção, a maioria das bactérias usa compostos orgânicos encontrados na natureza derivados de organismos vivos ou mortos. Algumas bactérias podem fabricar o seu próprio alimento por fotossíntese, e algumas obtêm seu alimento a partir de compostos inorgânicos. Muitas bactérias podem “nadar” usando apêndices de movimento chamados de flagelos. (Para uma discussão completa sobre bacté- rias, veja o Capítulo 11.)

Archaea 

Como as bactérias, as arquibactérias são células procarióticas, porém, quando possuem paredes celulares, estas não são compostas por peptideoglicano. As arquibactérias, frequentemente encontradas em ambientes extremos, são divididas em três grupos principais. As metanogênicas produzem metano como resultado da respiração. As halofílicas extremas (halo = sal; filo = amigo) vivem em ambientes muito salinos, como o “Great Salt Lake” e o Mar Morto. As termofílicas extremas (termo = quente) vivem em águas sulfurosas e quentes, como as fontes termais do Parque Nacional Yellowstone. As arquibactérias não são conhecidas como causadoras de doenças em humanos.

Fungos 

Os fungos são eucariotos, organismos que possuem um núcleo definido, que contém o material genético (DNA), envolto por um envelope especial chamado de membrana nuclear. Os organismos do Reino dos Fungos podem ser unicelulares ou multicelulares (veja o Capítulo 12, página 330). Os maiores fungos multicelulares, como os cogumelos, podem parecer algumas vezes com plantas, mas não realizam fotossíntese, característica da maioria das plantas. Os fungos verdadeiros têm parede celular composta principalmente por uma substância chamada de quitina. As formas unicelulares dos fungos, as leveduras, são micro-organismos ovais que são maiores que as bactérias. Os fungos mais típicos são os bolores (fungos filamentosos, Figura 1.1b). Os bolores formam massas visíveis chamadas de micélios, compostas de longos filamentos (hifas) que se ramificam e se entrelaçam. Os crescimentos cotonosos (semelhantes ao algodão) que algumas vezes são vistos sobre o pão e as frutas são micélios de fungos. Os fungos podem se reproduzir sexuada e assexuadamente. Eles obtêm a alimentação por meio da absorção de soluções de matéria orgânica presente no ambiente, que pode ser o solo, a água do mar, a água doce, um animal ou uma planta hospedeira. Os organismos conhecidos como fungos gelatinosos apresentam características tanto de fungos quanto de amebas. Eles serão discutidos em detalhes no Capítulo 12.

Protozoários 

Os protozoários (do latim, protozoa, singular: protozoan) são micróbios unicelulares eucarióticos (veja o Capítulo 12, página 345). Os protozoários se movimentam por meio de pseudópodes, flagelos ou cílios. As amebas (Figura 1.1c) movimentam-se usando extensões dos seus citoplasmas chamadas de pseudópodes (falsos pés). Outros protozoários possuem longos flagelos ou numerosos apêndices curtos para locomoção chamados de cílios. Os protozoários apresentam uma variedade de formas e vivem como entidades de vida livre ou parasitas (organismos que retiram os seus nutrientes de outros organismos vivos), absorvendo ou ingerindo compostos orgânicos do ambiente. Os protozoários podem se reproduzir sexuada ou assexuadamente.

Figura 1.1 Tipos de micro-organismos. Nota: Em todo este livro, um ícone vermelho sob uma microfotografia indica que ela foi colorida artificialmente. (a) A bactéria em forma de bastão Haemophilus influenzae, uma das bactérias causadoras de pnemonia. (b) Mucor, um bolor comum de pães, é um tipo de fungo. Quando liberados dos esporângios, os esporos que alcançam uma superfície favorável germinam, formando uma rede de hifas (filamentos) que absorvem nutrientes. (c) Uma ameba, um protozoário, aproximando-se de uma partícula de alimento. (d) A alga de lagoas, Volvox. (e) Vários vírus da imunodeficiência humana (HIVs), o agente causador da Aids, brotando de uma célula T CD4+ .

Algas 
As algas (do latim, algae, singular: alga) são eucariotos fotossinté- ticos com uma ampla variedade de formas e com os dois tipos de reprodução, sexuada e assexuada (Figura 1.1d). As algas de interesse para os microbiologistas em geral são unicelulares (veja o Capítulo 12, página 340). As paredes celulares de muitas algas são compostas de um carboidrato chamado de celulose. As algas são abundantes em água doce e salgada, no solo e em associação com plantas. Como fotossintetizadoras, as algas necessitam de luz, água e dióxido de carbono para a produção de alimento e para seu crescimento, mas geralmente não requerem compostos orgânicos do ambiente. Como resultado da fotossíntese, as algas produzem oxigênio e carboidratos, que são então utilizados por outros organismos, incluindo os animais. Dessa forma, possuem um papel importante no equilíbrio da natureza.

Vírus 
Os vírus (Figura 1.1e) são muito diferentes dos outros grupos microbianos mencionados aqui. Eles são tão pequenos que a maioria pode ser vista apenas com o auxílio de um microscópio eletrônico, sendo também acelulares (não são células). A partícula viral é muito simples estruturalmente, contendo um núcleo formado somente por um tipo de ácido nucleico, DNA ou RNA. Esse núcleo é circundado por um envoltório proteico. Algumas vezes, o envoltório é revestido por uma camada adicional, uma membrana lipídica chamada de envelope. Todas as células vivas têm RNA e DNA, podem conduzir reações químicas e se reproduzir como unidades autossuficientes. Os vírus só podem se reproduzir usando a maquinaria celular de outros organismos. Dessa forma, os vírus são considerados vivos quando estão multiplicando dentro das células hospedeiras que infectam. Nesse sentido, os vírus são parasitas de outras formas de vida. Por outro lado, os vírus não são considerados como seres vivos porque, fora dos organismos hospedeiros, eles ficam inertes. (Os vírus serão discutidos em detalhes no Capítulo 13.)

Parasitas multicelulares de animais 
Embora os parasitas multicelulares de animais não sejam exclusivamente micro-organismos, eles têm importância médica e, portanto, serão discutidos neste texto. Os animais são eucariotos. Os dois principais grupos de vermes parasitas são os vermes chatos e os vermes redondos, coletivamente chamados de helmintos (veja o Capítulo 12, página 352). Durante alguns estágios do ciclo de vida, os helmintos são de tamanho microscópico. A identificação laboratorial desses organismos inclui muitas das mesmas técnicas usadas para a identificação dos micróbios.

Classificação dos micro-organismos 
Antes que a existência dos micróbios fosse conhecida, todos os organismos eram agrupados no reino animal ou no reino vegetal. Quando organismos microscópicos com características de animais e vegetais foram descobertos no final do século XVII, um novo sistema de classificação se tornou necessário. Ainda assim, os biólogos não conseguiram chegar a um acordo sobre os critérios utilizados para classificar os novos organismos que estavam sendo descobertos, até o final da década de 1970.
Em 1978, Carl Woese desenvolveu um sistema de classificação com base na organização celular dos organismos. Todos os organismos foram agrupados em três domínios, como segue:
 1. Bacteria (as paredes celulares contêm um complexo carboidrato-proteína chamado de peptideoglicano).
 2. Archaea (as paredes celulares, se presentes, não possuem peptideoglicano). 3. Eukarya, que inclui os seguintes grupos:
■ Protista (fungos gelatinosos, protozoários e algas).
■ Fungi (leveduras unicelulares, bolores multicelulares e cogumelos).
■ Plantae (que inclui musgos, samambaias, coníferas e plantas com flores).
■ Animalia (que inclui esponjas, vermes, insetos e vertebrados).

A ciência da microbiologia iniciou há apenas 200 anos, contudo a recente descoberta de DNA de Mycobacterium tuberculosis em uma múmia egípcia de 3.000 anos indica que os micro-organismos têm estado por muito mais tempo ao nosso redor.

Figura 1.2 Observações microscópicas de Anton van Leeuwenhoek. 
(a) Ao segurar seu microscópio próximo a uma fonte de luz, van Leeuwenhoek conseguiu observar organismos vivos que eram muito pequenos para serem vistos a olho nu. (b) A amostra foi colocada na extremidade de um ponto ajustável e vista do outro lado através de lentes finas, quase esféricas. A maior ampliação possível com esse microscópio foi de cerca de 300x (vezes). (c) Alguns dos desenhos de bactérias de van Leeuwenhoek, feitos em 1683. As letras representam várias formas de bactérias. C-D representa a trajetória do movimento observado por ele.

Qual foi a maior contribuição de van Leeuwenhoek para a microbiologia?

Na verdade, os ancestrais bacterianos foram as primeiras cé- lulas vivas a aparecer na Terra. Embora saibamos muito pouco a respeito do que os povos primitivos pensavam sobre as causas, a transmissão e o tratamento de doenças, a história que se passou a poucas centenas de anos atrás é mais bem conhecida. Examinaremos agora alguns conhecimentos da microbiologia que impulsionaram o progresso desse campo para o estágio altamente tecnológico atual.

As primeiras observações 
Uma das mais importantes descobertas na história da biologia ocorreu em 1665 com a ajuda de um microscópio relativamente muito simples. Após observar uma fina fatia de cortiça, o inglês Robert Hooke relatou ao mundo que as menores unidades vivas eram “pequenas caixas”, ou “células”, como ele as chamou. Utilizando uma versão melhorada de um microscópio composto (que utilizava dois jogos de lentes), Hooke conseguiu vizualizar as cé- lulas individualmente. A descoberta de Hooke marcou o início da teoria celular – a teoria em que todas as coisas vivas são compostas por células. Investigações subsequentes a respeito da estrutura e das funções das células tiveram como base essa teoria.
Embora o microscópio de Hooke fosse capaz de mostrar células grandes, não tinha resolução suficiente que permitisse a ele ver claramente os micróbios. É provável que o mercador holandês e cientista amador Anton van Leeuwenhoek tenha sido o primeiro a realmente observar micro-organismos vivos através de lentes de aumento de mais de 400 microscópios que ele fabricou. Entre 1673 e 1723, ele escreveu uma série de cartas para a Sociedade Real de Londres descrevendo os “animálculos” que ele viu através de seu microscópio simples de uma única lente. Van Leeuwenhoek fez desenhos detalhados de “animálculos” de água da chuva, de suas próprias fezes e de material raspado de seus dentes. Esses desenhos foram identificados como representações de bactérias e protozoários (Figura 1.2).

O debate sobre a geração espontânea 
Após van Leeuwenhoek descobrir o antes “invisível” mundo dos micro-organismos, a comunidade científica da época ficou interessada na origem dessas minúsculas coisas vivas. Até a segunda metade do século XIX, muitos cientistas e filósofos acreditavam que algumas formas de vida poderiam surgir espontaneamente da matéria morta; eles chamaram esse processo hipotético de geração espontânea. Não mais do que 100 anos atrás, as pessoas acreditavam que sapos, cobras e camundongos poderiam nascer do solo úmido; que moscas poderiam surgir do estrume; e que larvas de insetos, como larvas de moscas, poderiam surgir de corpos em decomposição.

Evidências pró e contra
Um forte oponente da geração espontânea, o físico italiano Francesco Redi começou em 1668 (antes mesmo da descoberta da vida microscópica por van Leeuwenhoek) a demonstrar que as larvas de insetos não surgiam espontaneamente de carne apodrecida. Redi encheu duas jarras com carne em decomposição. A primeira foi deixada aberta; as moscas depositaram os seus ovos sobre a carne, e os ovos se desenvolveram em larvas. A segunda jarra foi selada, e, como as moscas não puderam colocar os ovos sobre a carne, as larvas não apareceram. Ainda assim, os antagonistas de Redi não se convenceram; eles argumentavam que o ar fresco era necessário para ocorrer a geração espontânea. Então Redi realizou um segundo experimento, no qual uma jarra foi coberta com uma fina rede em vez de ser lacrada. Nenhuma larva apareceu na jarra coberta com a rede, embora o ar estivesse presente. As larvas de insetos somente apareciam quando as moscas podiam depositar seus ovos sobre a carne.
Os resultados de Redi foram um forte golpe no antigo conceito de que as formas grandes de vida poderiam surgir de formas não vivas. Contudo, muitos cientistas ainda acreditavam que organismos pequenos, como os “animálculos” de van Leeuwenhoek, eram simples o bastante para serem gerados a partir de materiais não vivos.
O conceito de geração espontânea dos micro-organismos parece ter sido fortalecido em 1745, quando o inglês John Needham descobriu que, mesmo após aquecer caldos nutrientes (como caldo de galinha e caldo de milho) antes de colocá-los em frascos fechados, as soluções resfriadas eram logo ocupadas por micro- -organismos. Needham considerou que os micróbios desenvolviam-se espontaneamente a partir de caldos. Vinte anos depois, Lazzaro Spallanzani, um cientista italiano, sugeriu que os micro- -organismos do ar teriam entrado nas soluções de Needham após estas terem sido fervidas. Spallanzani demonstrou que os caldos nutrientes aquecidos após serem lacrados em um frasco não apresentavam desenvolvimento microbiano. Needham respondeu alegando que a “força vital” necessária para a geração espontânea tinha sido destruída pelo calor e foi mantida fora dos frascos pelos lacres.
Essa “força vital” imaginária recebeu ainda mais crédito pouco tempo após o experimento de Spallanzani, quando Anton Laurent Lavoisier mostrou a importância do oxigênio para a vida. As observações de Spallanzani foram criticadas com o argumento de que não existia oxigênio suficiente nos frascos lacrados para o desenvolvimento da vida microbiana.

A teoria da biogênese 
A questão ainda não estava resolvida em 1858, quando o cientista alemão Rudolf Virchow desafiou o conceito da geração espontânea com o conceito da biogênese, que argumentava que células vivas poderiam surgir somente de células vivas preexistentes. Os argumentos sobre a geração espontânea continuaram até 1861, quando a questão foi resolvida pelo cientista francês Louis Pasteur.
Com uma série de engenhosos e persuasivos experimentos, Pasteur demonstrou que os micro-organismos estavam presentes no ar e podiam contaminar soluções estéreis, mas o ar por si só não podia criar micróbios. Ele encheu vários frascos, que tinham a abertura em forma de pescoço curto, com caldo de carne e então ferveu o conteúdo. Alguns deles ele deixou que esfriassem abertos. Em poucos dias, esses frascos estavam contaminados com micró- bios. Os outros frascos, lacrados após a fervura, estavam livres de micro-organismos. A partir desses resultados, Pasteur concluiu que os micróbios no ar foram os agentes responsáveis pela contamina- ção da matéria não viva, como nos caldos dos frascos de Needham.
Pasteur, a seguir, colocou um meio de cultura em frascos com a extremidade da abertura no formato de um pescoço longo e curvou esse pescoço na forma da letra S (Figura 1.3). Os conteúdos dos frascos foram então fervidos e resfriados. O meio de cultura nos frascos não apodreceu e não apresentou sinais de vida, mesmo após meses. O modelo único criado por Pasteur permitia que o ar entrasse no frasco, mas o pescoço curvado capturava todos os micro-organismos do ar que poderiam contaminar o meio de cultura. (Alguns desses frascos originais ainda estão em exposição no Instituto Pasteur em Paris. Eles foram lacrados, mas, como o frasco mostrado na Figura 1.3, não mostram sinais de contaminação mais de 100 anos depois da realização do experimento.)
Pasteur mostrou que os micro-organismos podem estar presentes na matéria não viva – sobre sólidos, em líquidos e no ar. Além disso, ele demonstrou conclusivamente que a vida microbiana pode ser destruída pelo calor e que podem ser elaborados mé- todos para bloquear o acesso de micro-organismos do ar aos ambientes nutritivos. Essas descobertas formam a base das técnicas de assepsia, que previnem a contaminação por micro-organismos indesejáveis e que agora são práticas rotineiras para muitos procedimentos médicos e em laboratórios. As técnicas modernas de assepsia estão entre os primeiros e mais importantes conceitos que um iniciante em microbiologia aprende.
O trabalho de Pasteur forneceu evidências de que os micro-organismos não podem se originar das forças místicas presentes em materiais não vivos. Ao contrário, surgimento de vida “espontânea” em soluções não vivas pode ser atribuído aos micro-organismos que já estavam presentes no ar e nos próprios fluidos. Os cientistas agora acreditam que provavelmente uma forma de geração espontânea ocorreu na Terra primitiva, quando a primeira vida surgiu, mas eles concordam que isso não acontece sob as condições ambientais atuais.