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UNIDAD 2: Sistemática

Bibliografía:

-  Brock.10ma edición. Capítulos 11. -  Brock.12va Edición. Capítulos 14. -  Blochl et al 1997 -  Imhoff et al 2004 -  Rodicio y Mendoza. Cap 11.

“La luciérnaga solo brilla cuando vuela”

Sistemática: Ciencia que se encarga de estudiar la diversidad de organismos y sus relaciones evolutivas.

•  Incluye a la Taxonomía y Filogenia

Taxonomía: Ciencia que se ocupa de la - clasificación, - identificación y - nomenclatura de los organismos.

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-  Propone una clasificación basada en las relaciones evolutivas, es decir agrupar a aquellos organismos que descienden de un mismo ancestro.

-  Representan los grupos taxonómicos en cladogramas u árbol filogenético.

Clasificación de organismos

Clasificación cladística o cladismo

Arbol filogenético (cladograma): representación gráfica de la genealogía de un grupo de especies.

Componentes de un árbol filogenético:   Puntas: especies o taxa de cualquier rango taxonómico.   Ramas: poblaciones ancestrales de las especies a través del tiempo.   Nodos: punto donde la especie ancestral diverge en dos poblaciones descendientes. (Bifurcaciones)

tiempo

Clasificación cladística o cladismo

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•  Grupo monofilético: grupo que contiene a todos los descendientes de un ancestro común.

Tipos de grupos respecto de la ancestría de los taxa

•  Grupo polifilético: grupo que incluye varias especies que no comparten un ancestro común.

•  Grupo parafilético: grupo que incluye al ancestro común pero solo algunos (no todos) sus descendientes.

•  La sistemática se ocupa de describir y nombrar grupos monofiléticos

Clasificación cladística o cladismo

Ejercicio individual:

Dibuje un cladograma con 8 taxa e indique:

2 grupos monofiléticos

2 grupos polifiléticos

2 grupos parafiléticos

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Evolución y diversidad de la vida

• Arbol filogenético de la vida. • Grupos monofiléticos.

La mayor parte de la diversidad microbiana es desconocida.

Evolución y diversidad de la vida

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Origen de las especies

Qué es una especie?

•  Existen distintos conceptos de especie.

•  El más popular es el concepto biológico de especie (Mayr 1940):

Cuáles son los posibles problemas o desventajas de esta definición?

“Es un grupo de poblaciones naturales cuyos miembros pueden cruzarse entre sí (produciendo descendencia fértil) pero no pueden reproducirse con los miembros de poblaciones pertenecientes a otras especies”

-  Poblaciones asexuales. -  poblaciones que viven distantes de otras -  poblaciones extintas

Origen de las especies procariotas

Las especies procariotas se identifican por taxonomía polifásica. No existe una definición de especie para procariotas.

•  Concepto evolutivo/filogenético/genealógico de especie:

Una especie evolutiva es un grupo de cepas que se agrupan en un árbol filogenético basado en secuencias de ADN y separadas de otras cepas, es decir forman un grupo monofilético.

En la práctica, una especie de bacteria o arquea se define como una colección de cepas que comparten un alto grado de similitud en diversas caracteristicas independientes.

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Cuantas especies de bacterias y arqueas hay?

•  Imposible de responder porque no existe definición de especie procariota universal.

•  Hasta el momento se conocen mas de 7.000 especies de bacteria y de arqueas pero pueden existir hasta un millón.

•  Estudios ambientales de secuenciación del gen 16S SSU rRNA indican que la mayor parte de la diversidad microbiana es aún desconocida.

• Taxonomía clásica basada en el fenotipo

Caracteres utilizados para la clasificación de microorganismos

• Taxonomía molecular: basada en el genotipo

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• Taxonomía clásica

  morfología   movilidad

  nutrición y fisiología   metabolismo

  quimica

  estructuras celulares particulares   contenido de ácidos grasos.

Se basa en el fenotipo, incluye:

Análisis de ácidos grasos (FAME: fatty acid methyl ester)

  Caracterización de ácidos grasos de la membrana plasmática y pared celular.   Perfil de ácidos grasos es particular de cada bacteria.   Los ácidos grasos son extraídos, tratados e identificados por cromatografía gaseosa.   Resultado: cromatograma con tipo y cantidad de ácidos grasos.   Comparación con bases de datos.   Uso rutinario

•  Requiere estandarización: ácidos grasos varían en distintas condiciones. •  Imposible para algunos organismos. •  Variabilidad intraespecífica.

Desventajas:

• Taxonomía clásica

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• Taxonomía clásica

  morfología   movilidad

  nutrición y fisiología   metabolismo

  quimica

  estructuras celulares particulares   contenido de ácidos grasos.

•  Muchas son características altamente variables, de bajo valor taxonómico.

Se basa en el fenotipo, incluye:

• Taxonomía molecular:

  Contenido de G+C

  Hibridación DNA:DNA

  Perfiles de ADN: Ribotipado, AFLP

  Secuenciación

Se basa en el genotipo, e incluye:

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Taxonomía molecular

1- Contenido de G+C   Porcentaje de guaninas y citosinas en el DNA genómico.   Valores entre 20-80% en Bacteria y Archaea.

  DNA con mayor porcentaje de G+C se desnaturaliza a mayor temperatura.

  DNA absorbe mayor radiación UV cuando se desnaturaliza.

Tm: melting temperature Temp. desnaturalización

  La temperatura de desnaturalización es proporcional al contenido de G+C.

1- Contenido de G+C Taxonomía molecular

•  Si 2 organismos difieren en mas del 5% de G+C, entonces no estarían estrechamente relacionados.

•  Sin embargo, 2 organismos con igual contentido G+C pueden ser muy distintos.

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2- Hibridación genómica: reasociación DNA:DNA

  Comparación de secuencias de DNA (total).

  Complementario al analisis de secuenciación de SSU rRNA.

  Dos DNA se hibridan en proporción a su similitud.

  El grado de similitud podrá determinar los organismos estrechamente

relacionados.

  útil en organismos relacionados y similares.

Taxonomía molecular

Técnica

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3- Ribotipado: Análisis de RNA ribosómico (fingerprinting)

  Digestión de DNA total con enzimas de restricción   Separación en gel por electroforesis   Transferencia de DNA a membrana   Hibridación con sonda de rRNA   Los sitios de corte en el rRNA son particulares de cada bacteria.   Comparación con trabajos anteriores.

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter14/animation_quiz_5.html

Taxonomía molecular

4- Secuenciación de rRNA u otro gen

Filogenia es la historia evolutiva de una especie.

Arbol filogenético es la historia evolutiva, representado por un diagrama de lineas que se bifurcan y que reflejan las relaciones evolutivas.

PCR movie: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter14/animation_quiz_6.html Sanger sequencing: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter15/animation_quiz_1.html

Taxonomía molecular

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Taxonomía molecular

Ribosomas: complejo ribonucleoproteico para la síntesis de proteínas.

Ribosoma bacteriano + 21 rps

+ 31 rpl

Taxonomía molecular

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Operón de rRNA

Procariotas SSU rRNA = 16S rRNA

Eucariotas SSU rRNA = 18S rRNA

Aprox. 1500 nt. de longitud

Taxonomía molecular

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  Cantidad de copias del operón de rRNA: 1-15.

  Existe cierta variabilidad intraindividuo o intragenoma.

Pros y contras del uso de SSU rRNA en sistemática?

+ -  distribución universal -  secuencia suficientemente conservada -  largo de la molécula suficiente.

- -  insuficiente variabilidad para distinguir especies de bacterias. -  posible error por transferencia horizontal.

Concepto de especie en microbiología

  Taxonomía polifásica: combinación de diversas técnicas para la determinación de especies: fenotipo, genotipo y filogenias.

  Normalmente incluye: secuenciación de la SSU rRNA e hibridación genómica.

  Se propuso: procariotas que difieren en >3% en secuencia de rRNA son especies diferentes.

  Mayor resolución en la hibridación genómica u otros genes (gyrB) para identificar nuevas especies.

  Por arriba del nivel de especie, secuenciación de rRNA es una herramienta poderosa.

  Diferencias > 5-7% en secuencia del 16S rRNA determina un nuevo género.

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  Dos bacterias que difieren en más del 3% en la secuencia de 16S rRNA, hibridizan en menos del 70% y son especies distintas.

•  La especiación y taxonomía bacteriana está afectada por la transferencia horizontal de genes entre especies distintas.

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Preguntas

Imagine que le han entregado varios cultivos de bacterias de diferentes países y todas causan una enfermedad gastrointestinal. Luego de realizar análisis de ribotipado, identifica 4 cepas. Cómo haría para testear si dichas cepas pertenecen a la misma especie?

Imaginen que han descubierto una nueva forma de vida microbiana que parece representar un cuarto dominio de vida. Cómo determinaría si es evolutivamente distinto que Bacteria, Archaea y Eukarya?

Luego de realizar FAME en dos cultivos, observan que uno contiene abundantes ácidos grasos insaturados y el otro contiene fitanil con uniones éter. A qué dominio pertenecen?

Si se les entregan 2 cultivos: uno de bacterias y otro de archaea. Cómo haría para reconocer cuál es cuál? De al menos 3 posibilidades.

Códigos de Nomenclatura:

Código Zoológico: se encarga de animales y protistas.

Código Botánico: se encarga de plantas, algas y protistas.

Código Bacteriológico: se encarga de bacterias y archaea.

Nomenclatura

  Ciencia que se encarga de confeccionar las reglas de la nomenclatura biológica.

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Algunas de las reglas incluyen:

-  los nombres deben escribirse en latín (o ser latinismos).

-  Nombres de especie binomiales, en itálica: Bacillus cereus

-  todos los taxa deben pertenecer a un grupo taxonómico superior.

-  el primer nombre válido y efectivamente publicado tiene la prioridad.

-  todos los taxa descriptos deben tener un autor asociado al mismo. Por

ejemplo: Homo sapiens L. (Linneo).

Algunas Reglas de Nomenclatura

Dominio: Bacteria Filum o División: Proteobacteria Clase: Gammaproteobacteria Orden: Chromatiales Familia: Chromatiaceae Género: Allochromatium Especie: Allochromatium warmingii

Categorías taxonómicas

Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias y Archaea

  Aislamiento de un nuevo organismo   Determinar si es una nueva especie   Realizar propuesta taxonómica formal:

•  Descripción detallada de la nueva especie. •  Nombre propuesto (latín). •  Depósito de un cultivo viable en dos colecciones de cultivos (congelado o liofilizado). •  Cepa depositada es el tipo de la nueva especie.

  Manual de Bergey: compendio de información estandar y molecular de todas las especies reconocidas de procariotas para su identificación.

•  Publicación en el International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. •  Inclusión en el Manual de Bergey de Bacteriología Sistemática.

Permanent culture collections: -  mantienen cultivos de microorganismos. -  protegen la biodiversidad. -  proveen de cultivos a investigadores. Ejemplos: ATCC: American Type Culture Collection CIP: Collection de l’Institut Pasteur

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1994

•  1984 - primera edición.

•  Manual para la identificación de procariotas (archaea y bacteria)

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Cómo harían para reconocer si el microorganismo es eucariota o procariota?

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Cómo harían para reconocer a cuál categoría corresponde el microorganismo?

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Manual de Bergey: presente y futuro

  Una nueva edición será publicada en 5 tomos.

  Visión filogenética de los procariotas.

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Responda las siguientes preguntas respecto a los artículos científicos Imhoff et al 2004 y Blochl et al 1997:

Grupo 1

•  Cómo se realizó la descripción del nuevo género y especie de arquea Pyrolobus fumarii? (Ver mat y metodos y resultados)

•  Nombre las tecnicas y equipamiento necesario para realizar la descripcion de una nueva especie de bacterias anoxigénicas fototróficas.

Grupo 2

•  Qué les permite decidir que es un nuevo género?( ver discusion)

•  Nombre las tecnicas y equipamiento necesario para realizar la descripcion de una nueva especie de bacterias anoxigénicas fototróficas.

International Code of Nomenclature of Bacteria: Bacteriological Code, 1990 Revision Chapter 3. Rules of Nomenclature with Recommendations http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8808/

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PARA LA PROXIMA CLASE:

• LEER Y TRAER: Capitulos 7 y 8 del Brock 12va edición.

•  RESPONDER preguntas sobre McInerney et al 2008 en grupos de 3-4 personas.

Preguntas:

1.  Cuál fue la bacteria cuyo genoma fue secuenciado por primera vez? 2.  Cree que existe o no un árbol de la vida? Por qué? 3.  Cómo ocurre la transferencia horizontal de genes en bacterias y

archaea? Con qué frecuencia? 4.  Debemos continuar utilizando el término “Procariota”? Por qué? 5.  Qué le llamó más la atención del artículo?