Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Teórica Ecología Microbiana

No description
by

Hebe Dionisi

on 21 October 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Teórica Ecología Microbiana

1 gen
ECOLOGÍA
MICROBIANA

Dra. Hebe Dionisi
Laboratorio de Microbiología Ambiental
Centro Nacional Patagónico (CENPAT-CONICET)

PRINCIPIOS GENERALES
Y MÉTODOS DE ESTUDIO

Niveles de organización ecológica
Propiedades estructurales
Preguntas
Biotecnología ambiental
¿Quiénes están allí?

¿Qué pueden hacer?

¿Qué están haciendo?
¿Cómo se interrelacionan?

¿Cómo es su organización espacial?

¿Cómo se comunican?

¿Qué materiales intercambian?
¿Cómo varían estas propiedades e interacciones
en el tiempo y en el espacio?
2-D
3-D y 4-D
1-D
Biología Ecosistémica
Lista de partes
Conectividad entre las partes
Ubicación en tiempo y espacio
Modelado de la comunidad
INDIVIDUO: unidad más pequeña dentro de la comunidad
POBLACIÓN: individuos de una misma especie, presentes en un nicho definido
Conectadas físicamente y metabólicamente
Interactúan fuertemente entre sí
GREMIO: grupo de poblaciones bacterianas explotado el mismo recurso de forma similar

Compiten intensamente por el recurso
Propiedades funcionales
Diversidad
DIVERSIDAD
Riqueza
Equitabilidad
ESTRUCTURA
Composición
Abundancia
Estructura
Atributos útiles para comparar comunidades microbianas

Miden distintos aspectos de la comunidad

Pueden variar de forma independiente
TOLERANCIA
REDUNDANCIA FUNCIONAL
¿Cómo procesa los sustratos?

¿Qué procesos metabólicos lleva a cabo?

¿De qué forma interactúa con el ambiente?

¿Cómo responde a perturbaciones?
Definen el comportamiento de una comunidad microbiana
RESISTENCIA
Estructura comunidad
Disturbio
Cambia
Igual
Permanece alterada
Cambia la función
Vuelve al estado original
Misma función
¿Relación entre la estructura de una comunidad y sus propiedades funcionales?

¿Relación entre la diversidad de una comunidad y su estabilidad?

¿Son los principios de la macroecología aplicables en una comunidad microbiana?
Dificultades
Detener la “colección de estampillas”

Avanzar en métodos de estandarización

Investigación basada en teoría ecológica no en métodos

Reconocer el rol de las escalas espaciales y temporales
Enorme biodiversidad

Rápida evolución y transferencia horizontal

Dificultades para obtener muestras representativas

Matrices ambientales interfieren con las metodologías
Disciplina de más de 100 años
Nombre relativamente nuevo
Biotecnología Gris
Definición: manejo de las comunidades microbianas con el fin de proveer servicios a la sociedad
Objetivo: sustentabilidad de recursos claves (agua, suelo, energía) a través del manejo de las comunidades microbianas
Para poder manejar una comunidad microbiana se requiere:
Mantener una comunidad robusta, auto-organizada y auto-sustentable
Comprender su funcionamiento


Problemas:
Alta complejidad del sistema
Falta de herramientas que permitan monitorear a la comunidad (o gremio) de forma económica y rápida
Existe una falta de conocimiento sobre los principios ecológicos que gobiernan el comportamiento de las comunidades microbianas


La ecología microbiana aporta la base científica para su manejo


Es capaz de proveer organización, estructura, comprensión mecanística y poder predictivo
Analizamos biomoléculas
Analizamos células individuales
Análisis de células individuales
Separación física de los microorganismos

Lisis

Amplificación del genoma

Secuenciación

Ensamblado

Análisis y anotación
Desafíos metodológicos:
Amplificación de ADN contaminante
Desvíos producidos por la amplificación
Dificultades en el ensamblado de las secuencias
95% del genoma en secuencias de novo
ADN
Marcador filogenético
Marcador funcional
ARNr
Proteínas
Metabolitos
Todos los genes
Metatranscriptómica
Metaproteómica
Meta-metabolómica
PCR
Bibliotecas de productos de amplificación
Pirosecuenciación de fragmentos amplificados
tRFLP
DGGE
qPCR
Biblioteca metagenómica
Secuenciación al azar
Metagenómica
Tipos de diversidad
Alfa:
diversidad de organismos dentro de una muestra o ambiente seleccionado

Beta:
diversidad a lo largo de un gradiente o entre distintos hábitats

Gama:
diversidad en una región, incluye diversidad alfa y beta
Análisis funcional
Análisis molecular
Ensamblado
Anotación
Detección de transcriptos en comunidades microbianas

Sólo muestra lo que ocurre en ese momento en particular, de un patrón de expresión complejo

Al analizarse un subset de genes, se reduce la complejidad del set de datos a analizar

Se incrementa la probabilidad de detectar funciones ecológicamente relevantes

Aún información indirecta sobre las actividades potenciales de la comunidad
Analiza el conjunto de proteínas presentes en los microorganismos de una comunidad

Refleja la funcionalidad con respecto a sus componentes estructurales, reacciones metabólicas y cascadas regulatorias

Permite modelar interacciones entre microorganismos y con el ambiente
Herramientas de estudio
COMUNIDADES
ENRIQUECIMIENTOS
AISLAMIENTOS
Falta de poder predictivo


Toma de decisiones basada en intuición y empirismo


Soluciones parciales y fallas


Decisiones conservativas y excesivo uso de recursos
OBJETIVOS:
Modelado de la comunidad
Desarrollo de modelos predictivos

Investigaciones in silico de las propiedades del ecosistema

Permite mejorar procesos biotecnológicos de una manera dirigida
ARNm
¿Quiénes están allí?
¿Qué pueden hacer?
¿Qué están haciendo?
ARNm
ADN
ARNr
ARN
Análisis in situ
MÉTODO
APROPIADO PARA RESPONDER A MI PREGUNTA
PRECISO
ESPECÍFICO
SENSIBLE

LÍMITE DE DETECCIÓN ADECUADO
RÁPIDO



MÍNIMOS DESVÍOS
ECONÓMICO

ALTA CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO
EXACTO
ROBUSTO
FISH
Amann, Nature Reviews Microbiology 6, 339-348 (May 2008)
cDNA
Análisis
Correlación entre la relación ARN:ADN y la actividad metabólica

Representarían células metabólicamente activas dentro de la comunidad
Caracterización de los metabolitos (< 1500 Da) producidos en una comunidad microbiana

Eventos moleculares cercanos al fenotipo

Crucial para comprender interacciones del ecosistema microbiano, comunicación célula a célula y cooperaciones metabólicas
Relacionando filogenia con función


Genes utilizados en reconstrucciones filogenéticas

Función esencial
Ubicuidad
Propiedades evolutivas

El más frecuentemente utilizado: gen ARNr 16S/18S

Problemas:
Variaciones en el número de copias por célula
La diversidad aumenta cuando:

Aumenta la riqueza

Aumenta la equitabilidad
1/pocos ARNm
RT-PCR

RT-PCR y clonado

RT-qPCR

Northern Blot

Hibridización in situ

Microarreglos
¿Quién está allí?
¿Qué pueden hacer?
¿Quién está allí?
¿Qué pueden hacer?
Analizamos 1 gen a la vez
Analizamos todos los genes juntos
El gremio es la unidad funcional de un ecosistema

La especie es la unidad biológica de una comunidad
ECOSISTEMA
Ecología microbiana
Comunidad
Microbiana:
Ensamblaje de poblaciones
Ocupan un área determinada al mismo tiempo
Conectadas físicamente y metabólicamente
Autónomas para organizarse y sostenerse
Interactúan fuertemente entre sí
Interactúan con el ambiente
(y con su hospedador)
Ecología Microbiana
Disciplina que estudia las interrelaciones entre las distintas poblaciones de microorganismos de una comunidad, y con su ambiente

Estudia la diversidad de microorganismos en hábitats naturales y no naturales

Trata de comprender los procesos metabólicos llevados a cabo por microorganismos en un hábitat determinado y el efecto de los microorganismos sobre el ambiente
ECOSISTEMA
Sólo se conoce una parte muy pequeña del mundo microbiano (diversidad y capacidades metabólicas)
La biósfera se encuentra dominada por microorganismos


A pesar de su pequeño tamaño, tienen un gran efecto sobre los ecosistemas y a escala global: clima, ciclos biogeoquímicos, etc.
El nicho ecológico cubre una escala espacial muy pequeña

El ambiente sufre cambios en sus características fisicoquímicas en una escala microscópica
La escala y variabilidad espacial y temporal debe ser tenida en cuenta al estudiar la estructura y la función de las comunidades microbianas
La gran biodiversidad y diversidad metabólica de los microorganismos está relacionada con la gran diversidad de nichos que existen en nuestro planeta
COMUNIDAD MICROBIANA
La dependencia de los métodos tradicionales de cultivo ha resultado en una gran subestimación de:
La mayor parte de los microorganismos ambientales no pueden ser cultivados en el laboratorio
10 bacterias/ml de agua de mar

10 – 10 bacterias/g sedimento superficial

10 bacterias/g sedimento profundo

10 bacterias/ml de un tapiz fotosintético en un ambiente hipersalino

(60% de la biomasa)
1- la abundancia de los microorganismos
2- la riqueza de especies
(centenas o miles)
6
8
9
5
12
El crecimiento de los microorganismos depende de los recursos disponibles y de las condiciones fisicoquímicas del hábitat
Estas características definen el nicho de un microorganismo
Macronutrientes
Aceptores de electrones
Micronutrientes
Temperatura
pH
Luz
etc.
¿De qué forma interaccionan los microorganismos dentro de una comunidad?
PREDACIÓN
principal causa de mortalidad bacteriana
regula el tamaño de las poblaciones
influencia las propiedades estructurales de las comunidades
Muchas interacciones beneficiosas entre microorganismos requieren de la proximidad de los mismos
La incorporación de herramientas moleculares cada vez más poderosas a los estudios de ecología microbiana resulta fundamental para contestar estas preguntas
Los nichos de un ambiente se encuentran ocupados por poblaciones indígenas

Las distintas poblaciones compiten para ocupar los nichos disponibles

Cada población exitosa juega un rol funcional contribuye al mantenimiento de la comunidad

Existe una intensa competencia en la estructura del gremio

Las interacciones entre miembros de la comunidad pueden resultar en sucesiones

Cuando un organismo nuevo arriba, debe tener alguna ventaja selectiva para poder establecerse y prosperar

Desarrollo de las comunidades microbianas
¿Qué mecanismos dan forma a las comunidades microbianas?
¿Cómo se ensamblan las comunidades microbianas?
¿Qué relación hay entre la estructura y la función?
¿Cómo podemos predecir la función de una comunidad?
¿Cómo podemos regular la función de una comunidad?
¿Cómo se distribuyen biogeográficamente los microorganismos?
Otro marcador filogenético utilizado:
Estos estudios tienen gran relevancia en aplicaciones biotecnológicas, como por ejemplo aquellas relacionadas con la biotecnología ambiental
Propiedades estructurales y funcionales
Genes marcadores filogenéticos
Genes biomarcadores funcionales
Bacteria nitrificantes: amoA
Bacterias metanotróficas: pmoA
Bacterias sulfato-reductoras: dsrAB
Bacterias degradadoras de alcanos: alkB
Bacterias degradadoras de HAPs: nahAc
Herramientas moleculares de diagnóstico ambiental
La capacidad degradativa de las comunidades microbianas es una de las líneas de evidencia utilizadas para la caracterización de sitios contaminados, y en las distintas etapas del proceso de biorremediación
Las herramientas moleculares de diagnóstico ambiental basadas en genes biomarcadores presentan alta precisión y rapidez
Pueden disminuir los costos asociados al tratamiento del sitio contaminado, permitiendo la toma de decisiones informadas y disminuyendo el grado de incertidumbre del proceso
No provee información sobre las propiedades funcionales de la comunidad
rpoB (subunidad beta ARN polimerasa)
Algunas metodologías sólo aportan información sobre el potencial de la comunidad para llevar a cabo determinados procesos metabólicos
Genes que proveen información sobre la capacidad de ejercer la actividad de interés

Permiten estudiar el potencial metabólico de la comunidad






Se puede analizar el gen o el transcripto

ARNm se encuentra más cerca
de la actividad
Necesidades
Full transcript