Exercícios: Eubactérias e arqueobactérias

Indica três diferenças estruturais entre uma célula procariota bacteriana e uma célula eucariota, e explica que consequência funcional tem cada uma.

Muitas arqueobactérias são extremófilas (termófilas, halófilas, acidófilas). Descreve que ambientes colonizam, que adaptações bioquímicas lhes permitem viver nesses locais e por que razão o seu estudo interessa às hipóteses sobre a origem da vida.

Observa as bactérias do esquema (A a F). Classifica-as segundo a sua forma (coco, bacilo, espirilo ou vibrião) e, se for caso disso, segundo o seu agrupamento (diplococos, estreptococos, estafilococos), apresentando um exemplo conhecido sempre que possível.

Explica o que é a parede celular bacteriana (peptidoglicano) e em que consiste a coloração de Gram: que dois grandes grupos distingue (gram-positivas e gram-negativas) e por que razão é tão útil na escolha de um tratamento.

1. a) Nomeia três estruturas externas que uma bactéria pode apresentar.
2. b) Explica a função principal de cada uma delas.

O que é um endósporo? Explica como se forma, que resistência extraordinária possui (calor, dessecação, desinfetantes) e por que razão complica a esterilização na medicina e na indústria conserveira (exemplos: tétano, botulismo).

Distingue uma bactéria aeróbia estrita, uma anaeróbia estrita e uma anaeróbia facultativa, e associa cada tipo a um ambiente (superfície do solo, fundo de uma ferida profunda, tubo digestivo).

O que são os plasmídeos? Explica que tipo de genes costumam conter (resistência a antibióticos, toxinas) e por que razão a sua capacidade de passar de uma bactéria para outra preocupa a comunidade médica.

O metabolismo bacteriano é muito diverso. Descreve os tipos fotoautotrófico, quimioautotrófico e heterotrófico: onde obtém cada um a energia e o carbono, e dá um exemplo de bactéria ou de ambiente para cada tipo.

Explica o papel essencial das bactérias nos ciclos do azoto e do carbono (fixação, nitrificação, desnitrificação e decomposição) e justifica o que aconteceria nos ecossistemas se elas desaparecessem.

Refere duas diferenças moleculares entre eubactérias e arqueobactérias (por exemplo, na parede celular ou nos lípidos membranares) e explica por que razão se classificam em domínios distintos.

Os biofilmes são comunidades bacterianas aderidas a uma superfície e envolvidas numa matriz. Explica onde se formam (tártaro dentário, cateteres, tubagens, pedras do rio), por que razão são muito mais resistentes aos antibióticos e aos desinfetantes do que as bactérias livres e que problemas causam nos hospitais.

As cianobactérias foram chamadas «algas azuis» durante séculos. Explica por que razão esse nome estava incorreto (organização procariota), que tipo de fotossíntese realizam (oxigénica) e que papel histórico desempenharam na atmosfera terrestre.

No laboratório utilizam-se meios seletivos e diferenciais. Explica o que é cada tipo com um exemplo (o ágar MacConkey seleciona gram-negativas e distingue fermentadoras de lactose; o ágar sangue revela a hemólise) e que informação fornecem na identificação de uma bactéria desconhecida.

As arqueobactérias metanogénicas produzem metano. Explica onde vivem (rúmen dos herbívoros, fundos de pântanos e arrozais, estações de tratamento de águas residuais), de que se alimentam e por que razão o seu metabolismo interessa simultaneamente ao clima (o metano como gás com efeito de estufa) e à energia (biogás).

A simbiose bacteriana vai muito além do intestino humano. Descreve um exemplo concreto — as bactérias bioluminescentes da lula (Vibrio fischeri) ou os nódulos de Rhizobium nas leguminosas —, explicando o que cada parceiro fornece e como se «reconhecem» para estabelecer a associação.

Num sedimento aquático analisa-se a estratificação do potencial redox (E') em profundidade. As medições indicam que a 2 cm da superfície se esgota o O_2 dissolvido, a 6 cm desaparece completamente o NO_3^- e a partir de 15 cm começa a detetar-se uma emissão constante de CH_4.

1. a) Justifica, em termos de diferença de potencial redox (\\Delta E') e rendimento na síntese de ATP por fosforilação oxidativa, por que razão as bactérias desnitrificantes colonizam e dominam o estrato imediatamente inferior ao dos aeróbios obrigatórios, deslocando as arqueias metanogénicas para camadas mais profundas.
2. b) Prevê fundamentadamente o que acontecerá com a taxa de emissão de metano e com a população ativa de metanogénicos se for injetada artificialmente no sedimento anóxico profundo uma solução concentrada de nitrato de sódio (NaNO_3).

Um doente hospitalizado a receber clindamicina (um antibiótico de largo espetro) durante três semanas desenvolve uma diarreia grave por infeção de Clostridioides difficile. Esta bactéria estava presente no seu intestino antes de iniciar o tratamento, mas representava menos de 0,1 % da comunidade microbiana e não causava quaisquer sintomas. Após o fracasso de várias linhas de fármacos, é-lhe realizado um transplante de microbiota fecal (TMF) de um dador saudável, conseguindo erradicar a infeção em 48 horas.

1. a) Justifica este quadro clínico utilizando com precisão os conceitos ecológicos de nicho ecológico, exclusão competitiva e resistência à colonização.
2. b) Desenha uma experiência simples com ratinhos de laboratório axénicos (isentos de germes) que permita discernir se o fator curativo do transplante fecal radica na competição física direta exercida por bactérias viáveis ou em metabolitos protetores termoestáveis dissolvidos no filtrado das fezes do dador.

Durante um verão quente, uma albufeira recebe uma descarga rica em fósforo que faz cair a pique a relação azoto:fósforo (N:P) da água. Poucas semanas depois, forma-se uma densa camada esverdeada na superfície dominada por cianobactérias filamentosas com heterocistos, e as análises detetam níveis perigosos de microcistinas.

1. a) Justifica por que razão as cianobactérias fixadoras de azoto deslocam as microalgas eucariotas quando a relação N:P diminui drasticamente. Explica que incompatibilidade bioquímica fundamental é resolvida pelo heterocisto e que adaptações estruturais e metabólicas apresenta para o conseguir.
2. b) Paradoxalmente, apesar de as cianobactérias realizarem a fotossíntese oxigénica, os técnicos da albufeira registam uma mortalidade maciça de peixes por anoxia nas camadas intermédias e de fundo. Deduz as causas ecológicas e bioquímicas deste colapso de oxigénio ao longo da coluna de água.

Uma equipa de biotecnologia procura enzimas bacterianas capazes de hidrolisar plástico PET a 70 °C a partir de amostras de solo vulcânico. Ao semear diluições do solo em placas de Petri com ágar nutritivo e incubá-las a 70 °C, obtêm apenas duas colónias bacterianas que não degradam o plástico. No entanto, ao extrair e sequenciar o ADN ambiental total (metagenómica) de apenas um gramo desse solo, descobrem mais de 300 táxones bacterianos distintos, entre eles sequências homólogas a genes de PETases.

1. a) Justifica duas causas ecofisiológicas que expliquem a incapacidade da grande maioria destas bactérias do solo para formar colónias em placas de laboratório convencionais («a grande anomalia da contagem em placa»).
2. b) Desenha uma estratégia baseada em metagenómica funcional (construção de genotecas e rastreio em organismos-modelo como Escherichia coli) que permita identificar e produzir a enzima degradadora de PET sem necessidade de isolar nem cultivar no laboratório a bactéria termófila original.

Numa mina de sulfetos metálicos analisam-se duas zonas: uma escombreira de pirite (FeS_2) compactada e selada contra o ar, e outra escombreira idêntica mas porosa, húmida e exposta à intempérie. A água que drena desta segunda escombreira tem um pH de 1,7 e uma elevada concentração de iões férricos (Fe^3+) e sulfato, devido à ação de Acidithiobacillus ferrooxidans.

1. a) Deduz o papel desempenhado por A. ferrooxidans como catalisador biogeoquímico: explica que espécie química oxida, qual é o aceitador final de eletrões e por que razão o seu metabolismo acidifica o meio de forma tão acentuada. Classifica o seu tipo metabólico segundo a sua fonte de carbono e energia.
2. b) Uma empresa mineira utiliza biorreatores com A. ferrooxidans para lixiviar calcopirite de baixo teor (biolixiviação), enquanto a Agência Portuguesa do Ambiente denuncia a mina pela drenagem ácida da escombreira aberta. Justifica quimicamente por que razão o mesmo processo microbiano constitui uma biotecnologia limpa e rentável num contexto, mas uma catástrofe ecotoxicológica para os ecossistemas fluviais no outro.

Para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa do gado, administra-se a um lote de vacas um aditivo que bloqueia a enzima metil-coenzima M redutase das arqueias metanogénicas do rúmen. Durante os primeiros dias, as emissões de CH_4 descem 80 %, mas observa-se uma acumulação anormal de gás H_2 livre no rúmen e uma diminuição na digestão da fibra de forragem (celulose).

1. a) Explica a relação de sintrofia que une as bactérias celulolíticas e as arqueias metanogénicas em condições normais, e fundamenta por que razão a acumulação de H_2 livre trava termodinamicamente a degradação microbiana da celulose (inibição por produto na regeneração de NAD^+).
2. b) Os veterinários corrigem este problema aumentando a proporção de amido na dieta, o que estimula as bactérias que produzem propionato face às que produzem acetato. Justifica bioquimicamente por que razão a síntese de propionato atua como um «escoadouro alternativo de eletrões» que desbloqueia a fermentação ruminal sem produzir metano.

Durante décadas considerou-se que as águas vermelhas e extremamente ácidas (pH médio de 2,2) de Río Tinto (Huelva) eram fruto exclusivo da atividade mineira histórica. Contudo, sondagens profundas do projeto MARTE revelaram que a acidez é de origem biogénica e que no subsolo anóxico habitam consórcios de bactérias quimiolitotróficas vivas.

1. a) Se o interior celular de Leptospirillum ferrooxidans deve manter-se a um pH próximo da neutralidade (6,5 a 7,0) para que as suas macromoléculas não se desnaturem, justifica que adaptações no seu potencial de membrana ou nos seus sistemas de transporte ativo transmembranar lhe permitem evitar a entrada maciça passiva de protões H^+ do meio exterior.
2. b) O rover da missão a Marte detetou formações minerais de jarosite (sulfato básico hidratado de potássio e ferro) e hematite na superfície marciana. Justifica por que razão Río Tinto é utilizado como análogo terrestre de Marte e fundamenta o que a astrobiologia deduz sobre a hidrosfera passada de Marte e sobre que bioassinaturas subterrâneas deveríamos procurar.

Um laboratório escolar tenta sintetizar insulina humana funcional em Escherichia coli. Para isso, os alunos amplificam por PCR o gene completo da insulina diretamente do ADN nuclear de uma biópsia humana (incluindo os seus intrões e exões), ligam-no a jusante de um promotor bacteriano num plasmídeo e transformam as bactérias. Após induzirem a transcrição, as bactérias produzem um polipeptídeo aberrante, inerte e insolúvel.

1. a) Analisa ao nível molecular as duas barreiras na maquinaria de expressão génica bacteriana (uma ao nível do processamento do ARN mensageiro e outra ao nível de modificações pós-traducionais da proteína) que explicam por que razão a estratégia falhou completamente.
2. b) Concebe as modificações moleculares precisas que deveriam introduzir no material genético de partida (origem da sequência codificante) e na estratégia de montagem para que E. coli seja capaz de produzir insulina humana idêntica e funcional (formada pelas cadeias A e B unidas por pontes dissulfeto).