Exercicis: Eubacteris i arqueobacteris

Indica tres diferències estructurals entre una cèl·lula procariota bacteriana i una cèl·lula eucariota, i explica quina conseqüència funcional té cadascuna.

Molts arqueobacteris són extremòfils (termòfils, halòfils, acidòfils). Descriu quins ambients colonitzen, quines adaptacions bioquímiques els permeten viure-hi i per què el seu estudi interessa a les hipòtesis sobre l'origen de la vida.

Observa els bacteris de l'esquema (A a F). Classifica'ls segons la seva forma (coc, bacil, espiril o vibrió) i, si escau, segons la seva agrupació (diplococs, estreptococs, estafilococs), posant un exemple conegut quan puguis.

Explica què és la paret cel·lular bacteriana (peptidoglicà) i en què consisteix la tinció de Gram: quins dos grans grups distingeix (grampositius i gramnegatius) i per què és tan útil per triar un tractament.

1. a) Anomena tres estructures externes que pot presentar un bacteri.
2. b) Explica la funció principal de cadascuna d'elles.

Què és una endòspora? Explica com es forma, quina resistència extraordinària té (calor, dessecació, desinfectants) i per què complica l'esterilització en medicina i en conserves (exemples: tètanus, botulisme).

Diferencia un bacteri aeròbic estricte, un d'anaeròbic estricte i un d'anaeròbic facultatiu, i associa cada tipus a un ambient (superfície del sòl, fons d'una ferida profunda, tub digestiu).

Què són els plasmidis? Explica quin tipus de gens solen portar (resistències a antibiòtics, toxines) i per què la seva capacitat de passar d'un bacteri a un altre preocupa els metges.

El metabolisme bacterià és molt divers. Descriu els tipus fotoautòtrof, quimioautòtrof i heteròtrof: d'on obté cadascun l'energia i el carboni, i posa un exemple de bacteri o d'ambient per a cada tipus.

Explica el paper essencial dels bacteris en els cicles del nitrogen i del carboni (fixació, nitrificació, desnitrificació i descomposició) i raona què passaria als ecosistemes si desapareguessin.

Cita dues diferències moleculars entre eubacteris i arqueobacteris (per exemple en la paret cel·lular o en els lípids de membrana) i explica per què es classifiquen en dominis diferents.

Els biofilms són comunitats bacterianes adherides a una superfície i envoltades d'una matriu. Explica on es formen (càlcul dental, catèters, canonades, pedres del riu), per què són molt més resistents als antibiòtics i als desinfectants que els bacteris lliures i quins problemes causen als hospitals.

Els cianobacteris van ser anomenats «algues blaves» durant segles. Explica per què aquest nom era incorrecte (organització procariota), quina fotosíntesi fan (oxigènica) i quin paper històric van tenir a l'atmosfera terrestre.

Al laboratori s'utilitzen medis selectius i diferencials. Explica què és cada tipus amb un exemple (l'agar MacConkey selecciona gramnegatius i distingeix fermentadors de lactosa; l'agar sang revela l'hemòlisi) i quina informació aporten a l'hora d'identificar un bacteri desconegut.

Els arqueobacteris metanògens produeixen metà. Explica on viuen (rumen dels herbívors, fons d'aiguamolls i arrossars, depuradores), de què s'alimenten i per què el seu metabolisme interessa alhora al clima (el metà com a gas d'efecte d'hivernacle) i a l'energia (biogàs).

La simbiosi bacteriana va molt més enllà de l'intestí humà. Descriu un exemple concret —els bacteris lluminosos del calamar (Vibrio fischeri) o els nòduls de Rhizobium a les leguminoses— explicant què aporta cada soci i com es «reconeixen» per establir l'associació.

En un sediment aquàtic s'analitza l'estratificació del potencial redox (E') en profunditat. Les mesures indiquen que a 2 cm de la superfície s'esgota l'O_2 dissolt, a 6 cm desapareix completament el NO_3^- i a partir de 15 cm comença a detectar-se una emissió constant de CH_4.

1. a) Justifica, en termes de diferència de potencial redox (\\Delta E') i rendiment en la síntesi d'ATP per fosforil·lació oxidativa, per què els bacteris desnitrificants colonitzen i dominen l'estrat immediatament inferior al dels aerobis obligats, desplaçant els arqueus metanogènics cap a capes més profundes.
2. b) Prediu raonadament què passarà amb la taxa d'emissió de metà i amb la població activa de metanògens si s'injecta artificialment al sediment anòxic profund una dissolució concentrada de nitrat sòdic (NaNO_3).

Un pacient hospitalitzat que rep clindamicina (un antibiòtic d'ampli espectre) durant tres setmanes desenvolupa una diarrea greu per infecció de Clostridioides difficile. Aquest bacteri estava present al seu intestí abans d'iniciar el tractament, però representava menys del 0,1 % de la comunitat microbiana i no causava cap símptoma. Després de fracassar diverses línies de fàrmacs, se li practica un trasplantament de microbiota fecal (TMF) d'un donant sa, aconseguint erradicar la infecció en 48 hores.

1. a) Justifica aquest quadre clínic emprant amb precisió els conceptes ecològics de nínxol ecològic, exclusió competitiva i resistència a la colonització.
2. b) Dissenya un experiment senzill amb ratolins de laboratori axènics (lliures de gèrmens) que permeti discernir si el factor curatiu del trasplantament fecal rau en la competència física directa exercida per bacteris viables o en metabòlits protectors termoestables dissolts en el filtrat de la femta del donant.

Durant un estiu càlid, un embassament rep un abocament ric en fòsfor que fa caure en picat la relació nitrogen:fòsfor (N:P) de l'aigua. Poques setmanes després es forma una densa capa verdosa a la superfície dominada per cianobacteris filamentosos amb heterocists, i les anàlisis detecten nivells perillosos de microcistines.

1. a) Justifica per què els cianobacteris fixadors de nitrogen desplacen les microalgues eucariotes quan la relació N:P disminueix dràsticament. Explica quina incompatibilitat bioquímica fonamental resol l'heterocist i quines adaptacions estructurals i metabòliques presenta per aconseguir-ho.
2. b) Paradoxalment, malgrat que els cianobacteris duen a terme la fotosíntesi oxigènica, els tècnics de l'embassament registren una mortalitat massiva de peixos per anòxia a les capes intermèdies i de fons. Dedueix les causes ecològiques i bioquímiques d'aquest col·lapse d'oxigen al llarg de la columna d'aigua.

Un equip de biotecnologia busca enzims bacterians capaços d'hidrolitzar plàstic PET a 70 °C a partir de mostres de sòl volcànic. En sembrar dilucions del sòl en plaques de Petri amb agar nutritiu i incubar-les a 70 °C, obtenen únicament dues colònies bacterianes que no degraden el plàstic. Tanmateix, en extreure i seqüenciar l'ADN ambiental total (metagenòmica) d'un sol gram d'aquest sòl, descobreixen més de 300 tàxons bacterians diferents, entre ells seqüències homòlogues a gens de PETases.

1. a) Justifica dues causes ecofisiològiques que expliquin la incapacitat de la gran majoria d'aquests bacteris del sòl per formar colònies en plaques de laboratori convencionals («la gran anomalia del recompte en placa»).
2. b) Dissenya una estratègia basada en metagenòmica funcional (construcció de genoteques i cribratge en organismes model com ara Escherichia coli) que permeti identificar i produir l'enzim degradador de PET sense necessitat d'aïllar ni cultivar al laboratori el bacteri termòfil original.

En una mina de sulfurs metàl·lics s'analitzen dues zones: una escombrera de pirita (FeS_2) compactada i segellada davant de l'aire, i una altra escombrera idèntica però porosa, humida i exposada a la intempèrie. L'aigua que drena d'aquesta segona escombrera té un pH d'1,7 i una alta concentració d'ions fèrrics (Fe^3+) i sulfat, a causa de l'acció d'Acidithiobacillus ferrooxidans.

1. a) Dedueix el paper que exerceix A. ferrooxidans com a catalitzador biogeoquímic: explica quina espècie química oxida, quin és l'acceptor final d'electrons i per què el seu metabolisme acidifica el medi d'una manera tan acusada. Classifica el seu tipus metabòlic segons la seva font de carboni i d'energia.
2. b) Una empresa minera utilitza bioreactors amb A. ferrooxidans per lixiviar calcopirita de baixa llei (biolixiviació), mentre que la Confederació Hidrogràfica denuncia la mina pel drenatge àcid de l'escombrera oberta. Justifica químicament per què el mateix procés microbià constitueix una biotecnologia neta i rentable en un context, però una catàstrofe ecotoxicològica per als ecosistemes fluvials en l'altre.

Per reduir les emissions de gasos amb efecte d'hivernacle del bestiar, se subministra a un lot de vaques un additiu que bloqueja l'enzim metil-coenzim M reductasa dels arqueus metanògens del rumen. Durant els primers dies, les emissions de CH_4 cauen un 80 %, però s'observa una acumulació anormal de gas H_2 lliure al rumen i una disminució en la digestió de la fibra de farratge (cel·lulosa).

1. a) Explica la relació de sintrofia que uneix els bacteris cel·lulolítics i els arqueus metanògens en condicions normals, i raona per què l'acumulació d'H_2 lliure frena termodinàmicament la degradació microbiana de la cel·lulosa (inhibició per producte en la regeneració de NAD^+).
2. b) Els veterinaris corregeixen aquest problema augmentant la proporció de midó a la dieta, fet que estimula els bacteris que produeixen propionat enfront dels que produeixen acetat. Justifica bioquímicament per què la síntesi de propionat actua com un «embornal alternatiu d'electrons» que desembossa la fermentació ruminal sense produir metà.

Durant dècades es va considerar que les aigües vermelles i extremadament àcides (pH mitjà de 2,2) de Río Tinto (Huelva) eren fruit exclusiu de la mineria històrica. Tanmateix, sondejos profunds del projecte MARTE van revelar que l'acidesa és d'origen biogènic i que al subsòl anòxic hi habiten consorcis de bacteris quimiolitròtrofs vius.

1. a) Si l'interior cel·lular de Leptospirillum ferrooxidans s'ha de mantenir a un pH proper a la neutralitat (6,5 a 7,0) perquè les seves macromolècules no es desnaturalitzin, justifica quines adaptacions en el seu potencial de membrana o en els seus sistemes de transport actiu transmembrana li permeten evitar l'entrada massiva passiva de protons H^+ des del medi exterior.
2. b) El rover de la missió a Mart va detectar formacions minerals de jarosita (sulfat bàsic hidratat de potassi i ferro) i hematita a la superfície marciana. Justifica per què Río Tinto s'empra com a anàleg terrestre de Mart i raona què dedueix l'astrobiologia sobre la hidrosfera passada de Mart i sobre quines biosignatures subterrànies hauríem de buscar.

Un laboratori escolar intenta sintetitzar insulina humana funcional en Escherichia coli. Per a això, els estudiants amplifiquen mitjançant PCR el gen complet de la insulina directament de l'ADN nuclear d'una biòpsia humana (incloent-hi els seus introns i exons), el lliguen darrere d'un promotor bacterià en un plasmidi i transformen els bacteris. Després d'induir la transcripció, els bacteris produeixen un polipèptid aberrant, inert i insoluble.

1. a) Analitza a escala molecular les dues barreres en la maquinària d'expressió gènica bacteriana (una a escala del processament de l'ARN missatger i una altra a escala de modificacions posttraduccionals de la proteïna) que expliquen per què l'estratègia va fallar per complet.
2. b) Dissenya les modificacions moleculars precises que haurien d'introduir en el material genètic de partida (origen de la seqüència codificant) i en l'estratègia d'acoblament perquè E. coli sigui capaç de produir insulina humana idèntica i funcional (formada per les cadenes A i B unides per ponts disulfur).