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1.2.4: Diversidad ambiental de microbios - Biología

1.2.4: Diversidad ambiental de microbios - Biología


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OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

  • Resuma cómo la diversidad microbiana contribuye a la ocupación microbiana de diversos nichos geográficos.

El mundo microbiano abarca la mayor parte de la diversidad filogenética de la Tierra, ya que todas las bacterias, todas las arqueas y la mayoría de los linajes de Eukarya son microorganismos. Los microbios viven en todo tipo de hábitat (terrestre, acuático, atmosférico o huésped vivo) y su presencia afecta invariablemente el entorno en el que crecen. Su diversidad les permite prosperar en ambientes extremadamente fríos o extremadamente calientes. Su diversidad también los hace tolerantes a muchas otras condiciones, como la disponibilidad limitada de agua, el alto contenido de sal y los bajos niveles de oxígeno.

Sin embargo, no todos los microbios pueden sobrevivir en todos los hábitats. Cada tipo de microbio ha evolucionado para vivir dentro de una estrecha gama de condiciones. Aunque la gran mayoría de la diversidad microbiana permanece indeterminada, se entiende a nivel mundial que los efectos de los microorganismos en su entorno pueden ser beneficiosos. Los efectos beneficiosos de los microbios se derivan de sus actividades metabólicas en el medio ambiente, sus asociaciones con plantas y animales y de su uso en la producción de alimentos y procesos biotecnológicos.

A su vez, el medio ambiente y las recientes anomalías de temperatura juegan un papel crucial en impulsar cambios en las comunidades microbianas. Por ejemplo, se cree que el conjunto de microbios que existe en la superficie del agua de mar ha experimentado un cambio tremendo con respecto a la composición, abundancia, diversidad y virulencia como resultado del calentamiento de la superficie del mar que impulsa el clima.

Para los microbiólogos, es fundamental estudiar la adaptación microbiana a diferentes entornos y su función en esos entornos para comprender la diversidad microbiana global, la ecología y la evolución. Se basan en factores físicos y químicos específicos, como medir la temperatura, el pH y la salinidad dentro de una determinada geografía, para formular una comparación entre las comunidades microbianas y el medio ambiente que las diferentes especies pueden tolerar. Los investigadores recolectan muestras de áreas geográficas con diferentes condiciones ambientales y entre estaciones para determinar cómo los patrones de dispersión dan forma a las comunidades microbianas y comprender por qué los organismos viven donde lo hacen. Como tal, las comunidades microbianas de océanos costeros y abiertos, regiones polares, ríos, lagos, suelos, atmósfera y el cuerpo humano se pueden probar. Estos muestreos crean un punto de partida para comprender cómo la abundancia y la composición de las comunidades microbianas se correlacionan con las perturbaciones climáticas, interactúan para afectar los procesos del ecosistema e influyen en la salud humana. Interferir con la biomasa microbiana natural altera el equilibrio de la naturaleza y el ecosistema y conduce a la pérdida de biodiversidad.

Puntos clave

  • Las diferentes especies microbianas prosperan en diferentes condiciones ambientales.
  • Las comunidades microbianas ocupan hábitats acuáticos y terrestres y constituyen la mayor parte de la biodiversidad de la Tierra.
  • Las diversidades microbianas sustentan el ecosistema en el que crecen.

Términos clave

  • biodiversidad: La diversidad (número y variedad de especies) de vida vegetal y animal dentro de una región.
  • biomasa: La masa total de todos los seres vivos dentro de un área o hábitat específico.

Probiótico Pseudomonas las comunidades mejoran el crecimiento de las plantas y la asimilación de nutrientes a través del funcionamiento del ecosistema mediado por la diversidad

Los inoculantes de múltiples cepas mejoran el crecimiento de las plantas mejor que los inoculantes de una sola cepa.

Los efectos de la riqueza fueron claramente más fuertes que los Pseudomonas cepas de los efectos de identidad.

Los inoculantes de múltiples cepas mejoran la abundancia de inoculantes y # x27 en la rizosfera.

Crecimiento vegetal vinculado con hormonas vegetales, sideróforos y solubilización de fósforo.


¿Qué es la diversidad microbiana?

Los microbios son una de las formas de vida dominantes que ocurren en el universo, pero la mayoría de nosotros ignoramos su verdadero perfil. Quizás esto se deba a que son tan diminutos que son visibles a simple vista. Solo por esta razón, permanecieron desconocidos hasta hace unos 300 años.

La microbiología es el estudio de organismos vivos de tamaño microscópico que incluyen bacterias, hongos, algas, protozoos y agentes infecciosos en la línea fronteriza de la vida que se denominan virus. Esta ciencia se ocupa de su forma, estructura, reproducción, fisiología, metabolismo y clasificación.

Incluye su distribución en la naturaleza, su relación entre sí y con otros organismos vivos, sus efectos sobre los seres humanos y otros animales y plantas. Una vez más, comprende su capacidad para realizar cambios físicos y químicos en el medio ambiente y su relación con los agentes físicos y químicos.

Dado que estos organismos están fuera de la vista del hombre común por muchas razones, sus contribuciones no solo a nuestras vidas sino también a esta tierra no han sido debidamente apreciadas. El único aspecto de sus innumerables acciones que se destaca es su potencial para causar sufrimiento, enfermedades y lesiones.

Por otro lado, están estrechamente asociados con la salud y el bienestar de los seres humanos. Los microbios participan en la elaboración de cuajada, queso, mantequilla y vino, en la producción de antibióticos como la penicilina, en la fabricación de ácidos orgánicos, alcoholes y en el procesamiento de desechos domésticos e industriales. Rara vez pasa un momento en el que el efecto beneficioso o dañino de los microbios no influye en la humanidad.

Los microbios son típicamente organismos microscópicos unitarios o multiculturales, que son cosmopolitas en su distribución, es decir, están ampliamente distribuidos en el aire, el agua, el suelo, el mar, las montañas, las fuentes termales y también en los cuerpos de plantas y animales vivos, incluido el ser humano.

Están presentes profusamente en el mundo natural y artificial. Estos organismos tienen un alto grado de adaptabilidad. Así, los microbios constituyen su propio mundo, lleno de singularidad desde varios puntos de vista biológicos.

Los microorganismos son modelos excepcionalmente atractivos para estudiar los procesos fundamentales de la vida. Se pueden cultivar fácilmente en tubos o matraces de cultivo, por lo que requieren menos espacio y mantenimiento que las plantas y los animales más grandes.

Su tasa de crecimiento es muy rápida y también se reproducen a un ritmo más rápido que muchas otras formas de vida. Por ejemplo, en condiciones adecuadas, algunas especies de bacterias pueden sufrir casi 100 generaciones en un período de 24 horas. Los procesos metabólicos de los microbios siguen el patrón que ocurre en plantas y animales superiores.

Las levaduras unicelulares utilizan la glucosa esencialmente de la misma manera que las células de tejido de mamíferos, también está involucrado el mismo sistema de enzimas. La energía liberada en la descomposición de la glucosa es atrapada y luego utilizada para las actividades vitales de las células, ya sean bacterias, levaduras, protozoos o células musculares.

Las plantas se caracterizan por su capacidad para utilizar la energía solar, mientras que los animales requieren sustancias químicas para sus procesos de vida. A este respecto, algunos microbios son como plantas, otros como animales y algunos otros tienen la capacidad única de comportarse tanto como plantas como como animales.

En microbiología, los organismos se pueden estudiar con gran detalle y se pueden observar sus procesos de vida mientras se metabolizan, crecen, se reproducen, envejecen y mueren activamente. Al modificar su entorno, se pueden alterar sus actividades metabólicas, se regula el crecimiento e incluso se pueden cambiar sus patrones genéticos. Todos estos pueden estudiar sin causar ningún daño al organismo.


Diversidad oculta en microbios clave de limpieza ambiental encontrados por evaluación de biología de sistemas

IMAGEN: Un equipo de investigadores, incluido Kostas Konstantinidis de Georgia Tech, analizó las secuencias de genes de 10 cepas de Shewanella y descubrió que casi la mitad de los casi 10,000 genes que codifican proteínas eran específicos de la cepa. ver más

Crédito: Georgia Tech Foto: Gary Meek

Los investigadores han completado la primera evaluación exhaustiva a nivel de sistema de la diversidad de un género de microbios de importancia ambiental conocido como Shewanella. Los microbios que pertenecen a ese género participan con frecuencia en la biorremediación al confinar y limpiar las áreas contaminadas del medio ambiente.

El equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad Estatal de Michigan y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico analizaron las secuencias de genes, las proteínas expresadas y la fisiología de 10 cepas de Shewanella. Creen que los resultados del estudio ayudarán a los investigadores a elegir la mejor cepa de Shewanella para proyectos de biorremediación en función de las condiciones ambientales y los contaminantes de cada sitio.

Los hallazgos, que avanzan aún más en la comprensión de la enorme biodiversidad microbiana que existe en el planeta, aparecen en la primera edición en línea de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. A través del consorcio de la Federación Shewanella y el proyecto de Aplicación de Proteómica.

Al igual que un ser humano que respira oxígeno y exhala dióxido de carbono, muchos microbios Shewanella tienen la capacidad de "inhalar" ciertos metales y compuestos y convertirlos en un estado alterado, que generalmente es mucho menos tóxico. Esta capacidad hace que Shewanella sea muy importante para el medio ambiente y la biorremediación, pero seleccionar la mejor cepa para un proyecto en particular ha sido un desafío.

"Si miras diferentes cepas de Shewanella bajo un microscopio o sus genes ribosomales, que se usan de manera rutinaria para identificar cepas de bacterias recientemente aisladas, se ven idénticas. Por lo tanto, los enfoques microbiológicos tradicionales sugerirían que la fisiología y el fenotipo de estos Las bacterias Shewanella son muy similares, si no idénticas, pero eso no es cierto ", explicó Kostas Konstantinidis, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental de Georgia Tech. Konstantinidis, quien también tiene un cargo conjunto en la Facultad de Biología, dirigió el equipo de investigación en el análisis de los datos.

Utilizando el método tradicional para determinar la interrelación entre las cepas microbianas, la secuenciación del gen ribosómico 16S, los investigadores determinaron que las 10 cepas pertenecían al mismo género. Sin embargo, la técnica no pudo distinguir entre la mayoría de las cepas o definir propiedades generales que permitieran a los investigadores diferenciar una cepa de otra. Para hacer eso, recurrieron a datos proteómicos genómicos y de células completas.

Al comparar los 10 genomas de Shewanella, que fueron secuenciados en el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía, el equipo de investigación descubrió que, si bien algunas de las cepas compartían el 98 por ciento de los mismos genes, otras cepas solo compartían el 70 por ciento. De los casi 10,000 genes que codifican proteínas en las 10 cepas, casi la mitad (48 por ciento) de los genes eran específicos de la cepa, y las diferencias en las proteínas expresadas eran consistentemente mayores que sus diferencias a nivel de contenido genético.

"Estos hallazgos sugieren que la similitud en la regulación y expresión génica constituye un factor importante para determinar la similitud o disimilitud fenotípica entre los genomas de Shewanella muy estrechamente relacionados", señaló Konstantinidis. "También indican que podría ser el momento de comenzar a reemplazar los enfoques microbiológicos tradicionales para identificar y clasificar nuevas especies con métodos basados ​​en la genómica o la proteómica".

Tras un análisis más detallado, los investigadores encontraron que las diferencias genéticas entre las cepas reflejaban con frecuencia la adaptación y especialización ambiental o ecológica, que también habían alterado sustancialmente las redes metabólicas y reguladoras globales en algunas de las cepas. Los organismos Shewanella del estudio parecieron obtener la mayoría de sus nuevas funciones adquiriendo grupos de genes como islas genéticas móviles, seleccionando islas que portan genes ecológicamente importantes y perdiendo genes ecológicamente no importantes.

Las funciones individuales que cambian más rápidamente en las Shewanellae estaban relacionadas con los metales "respiratorios" y los mecanismos de detección, que representan la primera línea de respuesta adaptativa a diferentes condiciones ambientales. La bacteria Shewanella vive en ambientes que van desde areniscas subterráneas profundas hasta sedimentos marinos y desde agua dulce hasta agua salada. Todas menos una de las cepas pudieron reducir varios metales y metaloides. Esa única excepción había emprendido una evolución única que resultó en la incapacidad de explotar hábitats estrictamente anaeróbicos.

"Digamos que tiene una cepa de Shewanella que no puede convertir el uranio disuelto en agua subterránea contaminada en una forma incapaz de disolverse en agua", explicó Konstantinidis. "Si coloca esa cepa en un entorno que contiene altas concentraciones de uranio, es probable que ese microbio adquiera los genes que aceptan uranio de una cepa cercana, lo que a su vez evita que el uranio se propague a medida que fluye el agua subterránea".

Esta adaptabilidad de las bacterias es notable, pero requiere más estudios en el campo de la biorremediación, ya que con frecuencia subyace en la aparición de nuevas cepas bacterianas. El equipo de Konstantinidis en Georgia Tech está investigando comunidades de estas cepas de Shewanella en sus ambientes naturales para avanzar en la comprensión de la influencia del ambiente en la evolución del genoma bacteriano e identificar los genes clave en el genoma que responden a condiciones o estímulos ambientales específicos. , como la presencia de metales pesados.

Los estudios en curso deberían ampliar la comprensión de los investigadores sobre la relación entre genotipo, fenotipo, medio ambiente y evolución, dijo.

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Observaciones finales

El estudio de Katayama et al. 9 se suma a los varios ejemplos de microbios, cuyo cultivo y caracterización han desafiado las opiniones existentes sobre cómo se organizan las células procariotas 4,5,6,7,8. Su trabajo ilustra claramente lo importante que es llevar a cabo la tediosa tarea de llevar al cultivo especies de phyla anteriormente esquivos. Sin duda, la biología celular bacteriana más desconocida espera ser descubierta. Dado que se han cosechado las frutas más bajas en términos de microbios de crecimiento rápido y fácil, es posible que los intentos futuros deban centrarse en organismos de crecimiento más lento y organismos con requisitos de crecimiento complejos, como medios químicamente complejos, parámetros de gradiente o la necesidad de co- cultivo. Los esquemas de financiamiento futuros deben reconocer estos desafíos, ya que los períodos de financiamiento típicos pueden ser demasiado cortos para respaldar tales descubrimientos. Sin embargo, desenterrar la diversidad microbiana no solo revela una nueva biología fascinante, sino que también contribuye a nuestra comprensión de los flujos globales de materia y el cambio climático, y permite futuras aplicaciones biotecnológicas.


B. Estado del campo

Se han utilizado biosensores simples para abordar cuestiones ambientales durante más de 30 años, y varios artículos excelentes revisan el trabajo histórico (Gage et al., 2008 van der Meer y Belkin, 2010). Como se describe en la sección A, diversas cuestiones ambientales y de ciencias de la Tierra podrían abordarse utilizando las capacidades emergentes de biología sintética. En esta sección, discutimos las innovaciones recientes que incluyen la expansión de las capacidades de detección, la diversificación de salidas, la creación de circuitos genéticos más sofisticados y el desarrollo de enfoques para sintonizar componentes de circuitos para aplicaciones ambientales.

Entradas: las capacidades de detección pueden monitorear diversas condiciones

Los módulos de detección se han diseñado para responder a una amplia gama de productos químicos orgánicos e inorgánicos relevantes para el medio ambiente, así como a comportamientos comunitarios como HGT e interacciones célula-célula. Si bien muchos de los primeros biosensores fueron diseñados para detectar sustancias químicas tóxicas (King et al., 1990), también se han desarrollado módulos para detectar sustancias químicas integrales a los ciclos biogeoquímicos (Tablas 1 & # x020133). Con estas nuevas capacidades de detección, los biosensores ahora se pueden aplicar para responder preguntas fundamentales sobre cómo los microbios perciben las fluctuaciones en los parámetros ambientales tanto químicos como físicos.

Todos los biosensores tienen dos funciones esenciales: (1) responder a una condición ambiental y (2) traducir esa respuesta en un resultado medible (Daunert et al., 2000). Si bien los módulos de detección pueden usar una amplia gama de arquitecturas biológicas para convertir la información ambiental en información bioquímica, generalmente funcionan como interruptores intracelulares o extracelulares.

Sensores intracelulares

Los conmutadores de proteínas o ARN dentro de las células detectan una condición ambiental y combinan esa detección con un cambio en la transcripción que regula la producción de resultados del reportero. Los sensores basados ​​en proteínas a menudo utilizan factores de transcripción, que evolucionaron para detectar una amplia gama de analitos (Tablas 1 y # x020133). Con estos sensores, la unión del analito induce un cambio conformacional en el factor de transcripción (Figuras 6A, B) que cambia su interacción con el ADN. Posteriormente, la unión al ADN altera la expresión génica. Los factores de transcripción también pueden evolucionar o diseñarse para detectar nuevas entradas ambientales (Libis et al., 2016). Además de los factores de transcripción, los sensores basados ​​en CRISPR se pueden utilizar para detectar secuencias específicas de ADN o ARN (Gootenberg et al., 2017). Estos enfoques se han desarrollado recientemente como herramientas para el diagnóstico en el punto de atención de las especies de paludismo (Lee et al., 2020).

Figura 6. Detección de condiciones intracelulares y extracelulares. (A) Con los sensores intracelulares, un analito ambiental (rojo) debe atravesar la membrana celular hacia la célula a través de difusión o mediante un transportador para ser detectado. La unión del analito a una proteína sensora en el citosol aumenta la afinidad proteína-ADN y conduce al reclutamiento de la ARN polimerasa y a la transcripción de salida. (B) La unión del analito intracelular también puede mejorar la transcripción al provocar la disociación de la proteína del ADN que bloquea la transcripción de salida. (C) La unión del analito intracelular a un riboswitch puede desencadenar un cambio conformacional cerca del sitio de unión ribosomal (RBS) que permite la unión del ribosoma y la traducción del módulo de salida. (D) Los sensores extracelulares se unen al analito mediante proteínas expuestas a la superficie, como la cinasa del sensor de un TCS. Después de la unión del analito, la quinasa fosforila un regulador de respuesta dentro de la célula, que se une al ADN y altera la transcripción de salida.

Las moléculas de ARN también se pueden diseñar como sensores intracelulares (Figura 6C). Al igual que los interruptores de proteínas, los interruptores de ARN (llamados ribosconmutadores) utilizan la unión de analitos para impulsar cambios conformacionales que afectan la expresión génica (Mironov et al., 2002 Nahvi et al., 2002). Se han descubierto riboswitches naturales que interactúan con metabolitos orgánicos e iones inorgánicos (Serganov y Nudler, 2013), y los riboswitches sintéticos se han diversificado para detectar diferentes químicos orgánicos (Xiu et al., 2017) y temperatura (Sen et al., 2017). Es importante enfatizar que estos interruptores detectan uniformemente las condiciones ambientales. dentro de la celda, información que es útil para conectar las condiciones ambientales con las respuestas celulares. Sin embargo, están detectando información distinta de las condiciones ambientales extracelulares.

Sensores extracelulares

Las condiciones locales fuera de la célula se pueden convertir en información bioquímica dentro de la célula a través de biomoléculas expuestas a la superficie. Los sistemas de dos componentes (TCS) representan una clase importante de sensores extracelulares (Figura 6D). Los TCS consisten en una quinasa unida a la membrana que detecta una condición ambiental y transmite esta información a una proteína reguladora de la respuesta intracelular que modula la expresión génica. Con las bacterias gramnegativas, la cinasa del sensor está dentro de la membrana interna, por lo que los analitos deben pasar a través de una proteína de poro en la membrana externa antes de unirse, que tiene un límite de tamaño de & # x0007E500 amu. Las bacterias grampositivas no tienen la misma limitación porque la quinasa sensor está expuesta directamente a la superficie celular.

Los TCS se distribuyen ampliamente entre los procariotas y han evolucionado para detectar una amplia gama de condiciones ambientales (Capra y Laub, 2012). En consecuencia, los TCS se han reutilizado ampliamente como biosensores en biología sintética (Tablas 1 y # x020133). Además, la ingeniería de proteínas ha producido estrategias simples para acoplar la detección de diversos sistemas TCS a una salida estandarizada, facilitando el proceso de descubrimiento de TCS y acelerando el proceso de reutilización de TCS en biosensores (Schmidl et al., 2019).

Resultados: Están surgiendo reporteros compatibles con el medio ambiente

Idealmente, los resultados deberían permitir informes no disruptivos en tiempo real sobre materiales ambientales como suelos, sedimentos marinos y aguas residuales. Mientras que los indicadores visuales como las proteínas fluorescentes (Shaner et al., 2005), las proteínas luminiscentes (Saito y Nagai, 2015) o las enzimas productoras de pigmentos (Watstein et al., 2015 Verosloff et al., 2019) proporcionan información espacial cuando las células se visualizan a través de microscopía (DeAngelis et al., 2005 Pini et al., 2017), son difíciles de usar en materiales opacos como suelos y sedimentos (Figura 7A). Incluso en sistemas líquidos marinos y lacustres, la alta autofluorescencia de organismos nativos, carbono orgánico disuelto y otras sustancias químicas pueden ocultar los resultados de los reporteros visuales (Carstea et al., 2020). La heterogeneidad de O2 en muchos entornos también presenta desafíos porque los reporteros comunes de proteína verde fluorescente (GFP) requieren O2 para emitir fluorescencia (Heim et al., 1994). Para abordar estos desafíos, los biosensores ambientales deben tener señales de fondo bajas, intensidades de señal que sean fáciles de calibrar sin interrupción de la muestra y actividades en gradientes de O2 niveles.

Figura 7. Los módulos de salida permiten la generación de informes a partir de materiales ambientales. (A) Los resultados visuales son difíciles de usar en materiales ambientales. (izquierda) Las proteínas fluorescentes requieren oxígeno para madurar, lo que limita su uso en condiciones anóxicas. (medio) Las proteínas productoras de pigmentos son difíciles de visualizar en suelos y sedimentos. (Derecha) La bioluminiscencia puede tener un alto trasfondo en muestras marinas. (B) El módulo de proteína de nucleación de hielo (En p) es compatible con experimentos de matriz. Después de la producción del biosensor, los niveles de INP se pueden medir a partir del agua extraída de una muestra. (C) Las salidas de gas indicador se pueden monitorear en el espacio de cabeza de los materiales ambientales mediante cromatografía de gases sin interrumpir la muestra. La metil halogenuro transferasa (mht) y enzima formadora de etileno (efe) Los módulos sintetizan haluros de metilo y etileno, respectivamente. Un gas (verde) informa sobre el crecimiento celular, mientras que el segundo gas (azul) proporciona información sobre el analito detectado. La proporción de estos gases proporciona una salida robusta porque representa el analito promedio detectado por celda. (D) Las salidas de vesículas de gas están codificadas por un operón acústico, que produce una señal de ultrasonido única tras la expresión.

Proteína de nucleación de hielo (INP)

Una de las primeras alternativas a los reporteros visuales para los estudios ambientales fue el INP (Figura 7B), que cataliza la formación de hielo a partir del agua sobreenfriada (Lindgren et al., 1989). Las salidas de INP de biosensores incubados en suelos se pueden recuperar lavando el suelo y evaluando INP en la fracción acuosa usando un ensayo de congelación de gotas (Loper y Lindow, 1994 Jaeger et al., 1999 DeAngelis et al., 2005). El INP se puede utilizar para informar en condiciones de muestra tanto aeróbicas como anaeróbicas (DeAngelis et al., 2005). Sin embargo, INP solo proporciona información a través de un solo canal, lo que dificulta diferenciar si una señal surge de muchas células que expresan una pequeña cantidad de INP frente a unas pocas células que producen grandes cantidades de INP.

Reporteros de gas

Las salidas de gas indicador no requieren la destrucción de una matriz ambiental para observar la señal de salida, ya que pueden medirse en el espacio de cabeza de las muestras utilizando espectrometría de masas por cromatografía de gases (Figura 7C). Hasta la fecha, se han programado microbios para sintetizar una amplia gama de gases volátiles, incluido C2H4O (Bongers et al., 2005 Zhu et al., 2011), CH3Cl, CH3Br y CH3I (en conjunto referidos como CH3X) (Cheng et al., 2016), C2H4 (Cheng et al., 2018) y H2S (Bang y col., 2000). Sin embargo, solo CH3X y C2H4 se han utilizado para la biodetección ambiental. CH3X se ha utilizado para informar sobre la conjugación en el suelo (Cheng et al., 2016). Además, CH3X y C2H4 se han utilizado en paralelo para informar sobre la actividad de un módulo de detección (un CH condicional3Salida X) y el número de biosensores microbianos (una C constitutiva2H4 salida) realizando la detección (Cheng et al., 2018). Al calcular la proporción de estos gases, desafía a calibrar qué fracción del CH3X surge debido a que se evitan el crecimiento del biosensor. Entre las distintas salidas de gas indicador, tres (C2H4O, CH3X y H2S) funcionan tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas (Bang et al., 2000 Cheng et al., 2016 Balagurunathan et al., 2018), mientras que C2H4 requiere O2 para síntesis (Cheng et al., 2018).

Vesículas de gas

Las cianobacterias regulan la flotabilidad expresando estructuras proteicas que se llenan de gas (Pfeifer, 2012). Estas estructuras se utilizaron recientemente para crear un nuevo tipo de salida denominada vesículas de gas (Figura 7D). Estas vesículas se han expresado en microbios no nativos y se han utilizado como agentes de contraste para modelos de vertebrados difíciles de captar (Shapiro et al., 2014). Cuando los microbios que expresan estas vesículas se colocan en comunidades dentro de un intestino animal difícil de obtener imágenes, se pueden visualizar de forma no invasiva mediante ultrasonido o resonancia magnética (Lu et al., 2018 Farhadi et al., 2019). Si bien estas salidas aún no se han utilizado en biosensores ambientales, se espera que sean útiles como agente de contraste en aguas residuales cuando se obtienen imágenes mediante ultrasonidos.

Módulos de procesamiento: las nuevas herramientas pueden registrar información compleja

La biología sintética se está moviendo rápidamente más allá del paradigma de biosensor de una entrada y una salida. El creciente catálogo de piezas disponibles para biosensores de ingeniería ahora permite operaciones lógicas complejas y la capacidad de las células para registrar sus propias experiencias. Esta sección presenta puertas lógicas que utilizan múltiples entradas y sistemas de memoria que amplían la complejidad y las capacidades de la biosección ambiental. Estas capacidades abren nuevas oportunidades para estudiar la heterogeneidad espacial y temporal (ver sección B).

Operaciones lógicas

En biología sintética, se pueden combinar múltiples entradas en una sola salida siguiendo operaciones lógicas (Y, O, NO). Por ejemplo, una puerta Y de dos entradas (Figura 8A) solo produce la salida si la primera Y la segunda entrada ocurren en un entorno de celda & # x00027s simultáneamente (Brophy y Voigt, 2014). Se pueden utilizar numerosas estrategias de diseño para combinar la presencia (o ausencia) de múltiples entradas en una única salida (Shis y Bennett, 2013 Shis et al., 2014 Kim et al., 2019 Fulk et al., 2020). Los módulos de procesamiento se pueden construir agregando una cascada de factores de transcripción entre los módulos de entrada y salida cuyos efectos se combinan para producir la lógica deseada (Stanton et al., 2014). Si bien se pueden construir de manera confiable diversas puertas lógicas, solo una pequeña cantidad se ha aplicado en contextos ambientales. Un estudio mostró que la colonización bacteriana del intestino del ratón depende de O2, pH y concentraciones de ácido láctico (Chien et al., 2019). Las puertas lógicas podrían usarse de manera similar en otros contextos ambientales, por ejemplo, para informar sobre combinaciones de insumos que conducen a la producción de gases de efecto invernadero.

Figura 8. Los módulos de procesamiento pueden aumentar la sofisticación del biosensor. (A) Se pueden crear puertas AND de dos entradas mediante el uso de módulos que codifican proteínas en fragmentos. La salida solo ocurre cuando se producen el primer Y el segundo fragmento. (B) Memoria de ADN flexible mediante un interruptor de palanca. En el estado OFF, el represor transcripcional A bloquea la producción del represor B y la salida del informador. Al detectar la entrada ambiental A, los circuitos cambian a un estado ENCENDIDO donde el represor A se disocia momentáneamente del promotor PA, permitiendo la producción del represor B y la salida. El represor B bloquea la producción del represor A, estabilizando este estado ON. El interruptor se puede volver al estado APAGADO al detectar la entrada ambiental B. (C) Memoria de ADN fija construida usando recombinasas. En el estado OFF, no se produce recombinasa y la secuencia de ADN informadora es antiparalela a los elementos reguladores requeridos para la expresión. En el estado ON, una entrada ambiental induce la producción de recombinasa, que une un par de secuencias de ADN que flanquean al indicador e invierte el ADN de manera que el indicador es paralelo a los elementos reguladores. Este cambio de ADN conduce a la producción de salida. (D) Memoria de ADN fija que usa CRISPR. La detección de entrada está acoplada a la expresión de Cas1 / 2, que incorpora espaciadores de ADN cortos en una matriz CRISPR a una velocidad proporcional a la exposición de entrada.

Memoria biológica

Las células se pueden programar para registrar sus experiencias pasadas convirtiendo la información de detección en cambios heredables. La memoria biológica es & # x0201Cpermanent & # x0201D (escrita en el ADN del microbio & # x00027s de una manera que no se puede revertir) o & # x0201Crewritable & # x0201D (registrada de una manera que permite reiniciarla). La memoria es atractiva para la biodetección ambiental porque se puede leer tanto en células vivas como muertas mediante la secuenciación de ADN o la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR) (Sheth y Wang, 2018). A continuación, revisamos la primera memoria sintética descrita (el interruptor de palanca) y tres nuevos sistemas de registro basados ​​en ADN que son prometedores para los estudios ambientales.

Memoria reescribible

Con esta memoria, se usa un par de estados de salida para indicar la experiencia más reciente de una celda. En un ejemplo clásico llamado & # x0201Ctoggle switch & # x0201D (Figura 8B), la interconversión entre los estados OFF (sin salida) y ON (salida) es provocada por una pequeña molécula en el ambiente. Cada estado está determinado por la abundancia relativa de dos reguladores transcripcionales. En el estado OFF, se produce el primer regulador de proteínas e inhibe la síntesis del segundo regulador de proteínas. El interruptor se activa cuando el primer regulador se une a una sustancia química y ya no puede inhibir la producción del segundo regulador. En este punto, el segundo regulador se acumula en la célula e inhibe la síntesis del primer regulador. El circuito de memoria también se puede cambiar de ON a OFF mediante la adición de una segunda molécula a través de un mecanismo similar (Gardner et al., 2000). Dado que ambos reguladores transcripcionales se dividen en células hijas tras la división celular, el estado estable se hereda a través de generaciones. Se han implementado biosensores que contienen interruptores de palanca en el intestino del ratón para registrar firmas moleculares de inflamación y exposición a antibióticos (Kotula et al., 2014 Riglar et al., 2017). Se ha demostrado que esta memoria permanece apagada de manera estable durante hasta 6 meses en el intestino del ratón, lo que indica que los interruptores de palanca pueden ser factibles para registrar experiencias en esta escala de tiempo (Riglar et al., 2017). Sin embargo, los estados de memoria basados ​​en proteínas se pierden con la muerte microbiana o durante la inactividad, lo que limita su uso a las células vivas.

La memoria regrabable también se puede codificar como cambios de secuencia en el ADN. Los circuitos de memoria basados ​​en ADN pueden informar mediante la producción de una señal detectable, como interruptores de palanca, o la salida de la memoria se puede leer directamente de la secuencia de ADN. La memoria del ADN se puede programar utilizando recombinasas, enzimas que se unen a secuencias de ADN específicas y median la recombinación en esos sitios (Ham et al., 2006). En la mayoría de los circuitos de memoria basados ​​en recombinasa (Figura 8C), la señal ambiental induce la expresión de recombinasa. The recombinase inverts the segment of DNA that is within the DNA sequences that it binds. The flipped DNA output can be monitored by DNA sequencing, qPCR, or by incorporating a reporter gene that is turned on following the sequence change (Yang et al., 2014). It is possible for DNA recombinases to record both rewritable (Bonnet et al., 2012) and permanent (Yang et al., 2014) memory. In contrast to toggle switch memory, recombinase sequence modifications are inherited across generations and can be read out following cell death (Munck et al., 2020).

Permanent Memory

DNA recombinases that catalyze irreversible sequence inversions are a common mechanism of permanent memory (Yang et al., 2014), which cannot be erased. To date, more than 10 different recombinases have been identified, enabling the simultaneous recording of multiple inputs and the order of exposure to those inputs (Friedland et al., 2009 Roquet et al., 2016). Recombinase-based memory can also be used with logic gates to record combinations of environmental inputs (Siuti et al., 2013 Yang et al., 2014). This type of memory has been used to record the exposure of biosensors to sugar in the mouse gut. In this complex environment, the memory circuit was able to be accurately read for up to 4 days (Mimee et al., 2015). Recombinase memory is advantageous due to its simplicity and low cellular burden. However, it is susceptible to false positives in the absence of environmental inputs (Mimee et al., 2015).

In contrast to recombinase memory, which only modifies DNA at specific sequences, flexible DNA sequence recording enables precise modifications at diverse chromosomal locations. This approach is also capable of writing more information to DNA compared with recombinases. One flexible sequence recording strategy uses CRISPR-associated proteins to incorporate short DNA fragments (spacer sequences) into plasmids (Figure 8D), which functions as “recording tape,” growing in size at a rate proportional to the input signal. Different spacer sequences can be used in parallel to report on multiple environmental inputs (Schmidt et al., 2018). DNA sequencing can be used to read out the numbers and types of inserted spacers, and this information can be used to reconstruct the temporal order of sensed inputs (Sheth et al., 2017). This system has recorded the approximate time, duration, and order of cell exposure to copper, trehalose, and fucose over 6 days as well as HGT in fecal and gut samples (Sheth et al., 2017 Munck et al., 2020). While this memory has recorded information for 10 days in a lab setting (Zou and Ye, 2020), there is a need to determine whether this type of recording can provide information over a similar duration in complex environmental samples. Additionally, limitations of the maximum amount of sensing information that can be recorded and reliably differentiated by sequencing need to be established.

Tuning: Refining Circuits for Robust Performance

To be useful in environmental studies, biosensors must sense and report robustly across complex, dynamic conditions that are less ideal for fast growth as compared to sterile, well-mixed laboratory cultures. Performing well in environmental conditions requires that biosensor inputs are sensitive to the relevant range of environmental conditions and specific enough to only sense the desired condition. Furthermore, biosensors outputs need to report with a high enough signal-to-background (or ganar) to be reliably detected. To achieve these performance characteristics, biosensors may require multiple tuning steps and should be rigorously tested in the intended environmental context, i.e., a soil matrix or water sample, for false positive or false negative sensing.

Tuning Input Specificity

In heterogeneous environments, it is important for biosensors to specifically respond to the signal of interest (De Paepe et al., 2017). Many natural input modules are activated by chemicals with related structures (Figure 9A), which can inhibit desired inputs and create false negatives or produce unintended outputs that are false positives (Meyer et al., 2019). Environmental matrices often contain diverse chemicals with similar structures that have the potential to non-specifically activate biosensors (Dewhurst et al., 2002 Hawkes et al., 2016). For this reason, it is essential to carefully tune and test biosensor input specificity. Input modules that have suboptimal specificity can be improved through random mutagenesis followed by screening the resulting library for module variants with desired properties. This approach has yielded sensors that are specific to individual AHL signals, isomer-specific sugars, and organic acids (Collins et al., 2005, 2006 Tang et al., 2008 Tashiro et al., 2016 Snoek et al., 2020). Sensor modules can also be improved by recombining natural sensors to create chimeric variants. This approach has yielded sensors for plant-microbe signals and nitrogen cycle intermediates (De Paepe et al., 2019 Schmidl et al., 2019).

Figura 9. Using genetic engineering to tune biosensor performance. (A) Natural sensor modules often report on both target (rojo) and non-target (gris) analytes. To avoid false positives from the latter, sensors can be engineered to respond to a single input by incorporating mutations. (B) The sensitivity of a biosensor for a given analyte can also be adjusted by mutating the sensor module to adjust the transfer function (dashed line). (C) To improve the dynamic range, the biosensor background in the absence of analyte (OFF state) and the maximum signal (ON state) can also be tuned using mutation.

Environmental matrices in soils, sediments, or wastewater contain chemicals that have the potential to non-specifically activate biosensors. While we can begin to assess specificity by screening biosensors against a library of pure compounds, it is important to test new biosensors in environmentally-relevant chemical backgrounds containing microbial communities (Bereza-Malcolm et al., 2015). This can be achieved with control reactions that evaluate environmental backgrounds such as the ensemble of chemicals found in natural dissolved organic matter. Such control experiments are needed to establish and mitigate the impact of environmental effects on biosensor performance (McNerney et al., 2019).

Tuning Input Sensitivity

To be useful, biosensors must report on environmentally-relevant concentrations of the targeted analytes. To achieve this, input modules must be tuned so that they respond to the desired analyte concentrations (Figure 9B). In the environment, the bioavailable concentration of a chemical of interest can be influenced by sorptive processes, abiotic chemical reactions, and biotic transformations (McNerney et al., 2019). Additionally, output modules must be tuned so that they present a low background and a strong signal increase following input exposure (Figure 9C). This tuning is critical to ensure that the biosensor output is detectable over any environmental background, and that the difference in output production between OFF and ON states remains distinct over the relevant environmental time scale. These two goals are not mutually exclusive and are often addressed using similar strategies.

The simplest tuning method changes the number of circuit components synthesized in the cell (Brophy and Voigt, 2014). Frequently this tuning is achieved by increasing or decreasing the amount of sensor proteins synthesized. Depending on the specific needs, this tuning can be achieved by modifying sensor gene transcription, sensor protein translation, or sensor protein degradation (Salis et al., 2009 Huang et al., 2012 Brophy and Voigt, 2014 Cameron and Collins, 2014). When these efforts do not achieve the required performance, additional components like amplifier circuits can help improve the output-to-input ratio (Wan et al., 2019). Sensitivity can be improved by modifying the affinity of the sensor biomolecule for its signal or by altering the efficiency at which the sensor converts the input to into an output. This approach requires engineering the sensing molecule through rational design or directed evolution, similar to the approaches used to tune sensor specificity (Lönneborg et al., 2012 Landry et al., 2018 Meyer et al., 2019 Snoek et al., 2020).


Microbios y enfermedades

A few harmful microbes, for example less than 1% of bacteria, can invade our body (the host) and make us ill. Microbes cause infectious diseases such as flu and measles.

There is also strong evidence that microbes may contribute to many non&ndashinfectious chronic diseases such as some forms of cancer and coronary heart disease. Different diseases are caused by different types of micro-organisms. Los microbios que causan enfermedades se denominan patógenos.

Infectious disease Microbe that causes the disease Type of microbe
Frío Rinovirus Virus
Varicela Varicella zoster Virus
German measles Rubella Virus
Whooping cough Bordatella pertussis Bacteria
Bubonic plague Yersinia pestis Bacteria
TB (Tuberculosis) Tuberculosis micobacteriana Bacteria
Malaria Plasmodium falciparum Protozoario
Tiña Trichophyton rubrum Fungus
Athletes&rsquo foot Trichophyton mentagrophytes Fungus

It is important to remember that:

  • A patógeno is a micro-organism that has the potential to cause disease.
  • Un infección is the invasion and multiplication of pathogenic microbes in an individual or population.
  • Disease is when the infection causes damage to the individual&rsquos vital functions or systems.
  • Una infección no always result in disease!

To cause an infection, microbes must enter our bodies. The site at which they enter is known as the portal of entry.

Microbes can enter the body through the four sites listed below:

  • Respiratory tract (mouth and nose) e.g. influenza virus which causes the flu.
  • Gastrointestinal tract (mouth oral cavity) e.g. Vibrio cholerae which causes cholera.
  • Urogenital tract e.g. Escherichia coli which causes cystitis.
  • Breaks in the skin surface e.g. Clostridium tetani which causes tetanus.

To make us ill microbes have to:

  • reach their target site in the body
  • attach to the target site they are trying to infect so that they are not dislodged
  • multiply rapidly
  • obtain their nutrients from the host
  • avoid and survive attack by the host&rsquos immune system.

Sistema inmune

Una infección puede verse como una batalla entre los patógenos invasores y el huésped. ¿Cómo funciona el sistema inmunológico?

Routes of transmission

Descubra cómo puede contraer gérmenes y transmitirlos a otras personas.

Vaccination

Solo una inyección en el brazo: ¿qué hacen las vacunas?

Antibióticos

Antibiotics are powerful medicines that only fight bacterial infections.

Microbios y alimentos

Para pensar: el pan, el chocolate, el yogur, el queso azul y el tofu se elaboran con microbios.

Microbios y aire libre

La función de los microbios como pequeños procesadores químicos es mantener en marcha los ciclos de vida del planeta.


Hallmarks of health

Functional core

While large interpersonal differences are observed in the taxonomic composition of the microbiome at all sites, the abundance of metabolic pathways is considerably more consistent across people for a given site [7, 9, 26, 27]. Further, while the composition of the microbiome changes drastically over the first years of life, this functional profile is established early on and remains stable thereafter, at least in the gut [72]. This suggests that one definition of a “core” healthy microbiome might include specific microbial gene family combinations, metabolic modules, and regulatory pathways that together promote a stable host-associated ecology [96, 97]. This core includes functions from at least three groups: first, and most simply, the housekeeping functions necessary for all microbial life, such as transcription and translation, energy production, and structural components [6, 7, 9]. Second, this core includes processes that are specific to human-associated microbiomes across body-site habitats, such as adhesion to host cell surfaces and the production of compounds implicated in host–microbe interaction (including essential vitamins, such as vitamin K, and immunostimulatory compounds) [6, 7]. Finally, different body habitats each have their own specialized core functions [98]. For example, in the gut, core functions include glycosaminoglycan biodegradation, the production of several short-chain fatty acids, enrichment for specific lipopolysaccharides, and the production of vitamins and essential amino acids [6, 9, 98, 99] (Fig. 1b). Which of these functions tend to be enriched in a given population can be affected by long-term selective pressures such as diet [67]. A necessary condition for a healthy microbiome is therefore the presence of an assemblage of microbial species that can carry out specific sets of biomolecular functions in each of the niche-specific biochemical environments across the body.

Healthy community ecology

If microbial communities assemble on the basis of their coverage of a core set of functions while selecting from a large meta-population of potential colonizers, they are likely to be ecologically diverse [100–102], both in terms of richness (number of taxa present) and evenness (abundance of many microbial constituents). High diversity has been generally associated with health [11] and temporal stability [103]. The latter could, for example, be the result of the increased functional redundancy that comes with a more diverse set of microbes, even if the functional potential of the assembly is minimally achievable with fewer taxa. Conversely, a relative lack of diversity is apparent in the gut microbiome in diseases ranging from obesity [26] to inflammatory bowel disease [104] and types 1 [72] and 2 [28] diabetes and in the skin microbiome in atopic dermatitis [105] and psoriasis [106]. Antibiotics also cause a drastic reduction in the diversity of the microbiome with highly variable recovery dynamics [107], potentially weakening the community’s ability to exclude pathogens. This may clear the way for infection by pathobionts—normal microbial community members that become detrimental under perturbation, such as Candida albicans [57]. The principle that high diversity is “healthy” does not hold for all body sites, however, as diversity in the vaginal microbiome can be associated with bacterial vaginosis [108], cervical intraepithelial neoplasia [109] (an abnormal growth on the cervix), pre-term birth [36], and inflammation [110].

Given the typical observation of increased microbiome diversity in health, it has been hypothesized [111] that developed countries’ consistently reduced gut microbial diversities may account for higher chronic disease rates relative to those seen in developing countries and primitive societies [66, 112, 113], termed the “disappearing microbiome hypothesis” [111]. This loss of diversity may be linked to a high-fat, high-refined-sugar, and low-fiber diet [114]. Humanized mice on such a diet exhibit a depletion in microbial diversity [114] and though this is recoverable by returning to a high-fiber diet within a generation, it becomes fixed after four generations [114]. If this result generalizes to human populations, it increases the urgency of developing rationally targeted microbiome maintenance or therapeutic methods, so as to steer less health-promoting microbiomes towards more natural assemblages. The disappearing microbiome hypothesis in some ways represents an evolution of the “hygiene” or “old friends” hypotheses [115], all of which suggest that while modern North American or European cohorts may represent “healthy” microbiomes, their relationship to what is evolutionarily “normal” may be more complex.

Resistance, resilience, and stability

Other hallmarks of health from the microbial ecology perspective are the ability to resist perturbation (which might result from the entry of a pathogen, alteration of diet, or medication) and to return to a healthy state afterwards. These properties have been termed resistance and resilience, respectively [2]. For example, after an antibiotic treatment, healthy gut communities generally recover to their previous state after a few weeks to months [116]. A recent definition of microbial health thus explicitly comprises not a single static state but rather a dynamic equilibrium [2]. In this view, a healthy microbiome corresponds to an attractor of an underlying dynamic system (Fig. 1d), in a similar manner to cell fate in a metazoan [117]. Attractors capture both resistance and resilience, in that the system will resist a departure from an attractor, and unless a fluctuation (which might be due to external perturbation or internal stochasticity) is sufficiently large, it will tend to return to the steady state area [117]. The most visible examples in the human microbiome may be transitions between community state types in the healthy vagina although their specific health implications are not yet enumerated, not all community state types have the same degree of stability [36]. The gut microbiome is also in flux, gaining and losing species over time, with different taxa having different stabilities and with some consistently remaining in the gut for many years [8]. The mechanisms by which specific taxa persist are not yet well-delineated, but it is interesting to speculate whether such mechanisms might relate to the driving principles behind the assembly of the microbiome. If specific communities do assemble primarily to fill a suite of habitat-suited functional niches [6], then species that provide key metabolic, signaling, immunomodulatory, or other roles in a particular assembly may be more temporally stable than those in the functional periphery. Coupling dynamics with the taxonomic diversity and immense molecular functional potential of the microbiome is thus a reminder of the human microbiome’s complexity and, as a result, the difficulty of defining even the apparently simple concept of microbial health.


Current Status Of Research

Contemporary Research in Evolution and Diversity Features Several Exciting Growing Points

A particularly promising field spanning the synthesis of molecular biology and evolutionary biology is expected to reveal new evolutionary principles even as it resolves some longstanding issues. Important as this new synthesis is, it must be emphasized that not everything in evolution and diversity can be reduced to molecular biology.

Many central issues of evolution at the organismic level require different kinds of approaches. These include the study of the evolution of complex multifactorial traits within populations and the evolutionary role of selection among populations. Innovative approaches to uniting physiology, behavior, and development should also be encouraged.

Those who set research priorities in evolution and diversity must also recognize the continuing importance of cataloguing the diversity of life on earth and understanding its origins through speciation and its disappearance through extinction. Apart from the scientific value of such research are the many potential practical applications of the findings in medicine, agriculture, and biotechnology. Groups of organisms that are already relatively well known, such as vertebrates, plants, and butterflies, are important to study because of the light further information about them would shed on overall biogeographic problems. In addition, economically important groups of organisms, such as legumes and mosquitoes, should be emphasized in choosing priorities for study. Areas of vegetation that are already decimated and those that are being destroyed rapidly but that contain large numbers of endemic species should also receive special emphasis. Concerted efforts to survey more or less completely the biota of selected places, especially in the disappearing forests of the tropics, would be much more rewarding than miscellaneous sampling of poorly known groups over wide areas. Greater attention should also be given to groups that are especially tractable for the solution of basic problems in ecology, population biology, and evolution. To accomplish this, additional systematic biologists must be trained and employed, since the current world supply is much too limited to attack the millions of species of unknown or poorly known organisms profitably.

Paleobiology also presents significant new opportunities for breakthroughs in understanding the history of life on earth, including its earliest history in the Precambrian, its diversification and geographical distribution, and its extinction through, in some cases, global processes.

Collections and Special Facilities

Museums Are One Logical Place to Concentrate the Effort to Encompass Diversity

These institutions are already the repositories of vast numbers of priceless specimens, often representing species that are endangered or recently extinct. Yet most of the collections are fallow, and the halls of some of the leading research museums are largely empty of qualified researchers. The same is true of zoos and botanical gardens, which are in effect museums filled with living specimens. One of the premier tropical botanical gardens in the continental United States has purchased no major items of research equipment in 20 years. Although it averages only one postdoctoral fellow per year, it could easily accommodate six.

An additional need exists for regional or international centers for the storage and analysis of fossil pollen and other microfossils, which are vital in the reconstruction of evolutionary histories and past environmental change. For example, we are only now becoming aware of the considerable extinction of species that has been caused by human disturbances, especially on islands, lakes, and other geographically restricted habitats. One of the most promising domains of research is the detailed analysis of this impoverishment during the past several thousand years, with an emphasis on the factors that make certain species more vulnerable than others.

The future of systematics and its contribution to evolutionary studies depend on collaboration among workers in different fields, funding of interdisciplinary studies, and mutual education. Museums, the traditional home of systematics, will find it necessary to expand their facilities and personnel to encompass statistical, molecular, and experimental approaches. The traditionally modest sums granted to systematists will not support molecular investigations, and it will be useful to set up facilities for molecular systematics that can be used by multiple workers. Above all, university biology departments, in their staffing and curricular decisions, must take into account the growing impact of the new systematics on the study of evolution and its implications throughout biology, from molecular biology to ecology.

Museums are also vital to the continued health of research on the fossil record by maintaining and developing systematic collections. These Collections are the lifeblood of research progress. Research questions change continually, and it is important that museum collections remain an effective source of empirical data and that the data be actively studied and described by competent specialists.

The paleontological collections of the United States are in reasonably good shape, thanks to many years of financial support from the Biological Research Resources program of the National Science Foundation. Continued support is critical to sustain active research programs of relevance to broader problems of evolutionary biology. Museum collections are becoming especially critical in some areas because of the phasing out of support for collections by many major research universities.

Collection and Conservation of Germplasm Is Crucial For Improved Agricultural Production

Human activities associated with modern civilizations are causing a loss of diversity at all levels of biological organization. Once lost, this store of genetic diversity can never be recovered. A case in point is the loss of genetic diversity associated with the primitive land races (plants that are adapted to a region in which they evolved) and wild relatives of our crop plants. These genetic resources have repeatedly provided genes for disease resistance when agriculture has been challenged by serious disease epidemics, and these resources constitute an important source of novel phenotypes in conventional plant improvement. They must be found and conserved for our common good.

Modem agriculture is characterized by extensive plantings of genetically uniform monocultures. For example, genetically uniform hybrid corn is widely grown in the United States. Genetically uniform populations have the advantages of high yields, uniform size, and uniform dates of maturity, and these features have played a major role in the great increase in productivity of agriculture in the United States during the past 50 years. Uniformity of size and maturity are also required by highly mechanized agricultural practices.

On the downside, genetically uniform crops are vulnerable to large losses from pest or disease outbreaks because monocultures may lack the genetic variability for resistance to the pathogens. In 1970, a fungal pathogen raced through the U.S. corn crop in the corn leaf-blight epidemic. It was quickly discovered that susceptibility to the fungal pathogen was associated with a particular mitochondrial genotype that had been widely incorporated into breeding stocks. Luckily, other mitochondrial genotypes conferred resistance, and the resistant genotypes were introduced into commercial lines of corn. By 1971 corn varieties resistant to the leaf blight had largely replaced the susceptible type in agricultural production, and the corn crop was protected. The resistant types were available because an international effort had been made to conserve plant genetic resources for just such contingencies.

A second major disadvantage associated with the wide, and in some cases nearly global, adoption of monocultures is that these plantings supplant and drive to extinction the wild relatives and primitive cultivated forms of crop plants, which provide a source of genetic variants for future breeding efforts. Genetic conservation is faced with two problems—how to save and maintain useful plant germplasm and how to evaluate plant gene pools in order to preserve as wide a sample of potentially useful genetic variants as possible. The problem of evaluation is particularly difficult because we have no way of predicting which kinds of novel genetic variants the future may require. At present, the best that can be done is to evaluate the plants of interest for a wide range of genetic traits and select a sample for conservation that includes as much diversity as possible. Little is known about the adequacy and scope of contemporary germplasm collections. Genetic screening procedures and statistical sampling plans need to be developed for this task.

Finally, what little effort is expended to protect plants is almost entirely devoted to crop plants and their wild relatives�out 150 species out of the more than 260,000 kinds of plants known. Botanists estimate that tens of thousands of kinds of plants could probably be developed into useful crops-not only for food but also as sources of medicines, oils, waxes, and other chemicals of industrial importance-if we would carry out the appropriate investigations, identify them, and develop them according to their cultural requirements. Virtually no effort is being expended in such investigations yet fully a quarter of all plant species, along with a similar proportion of animals and microorganisms, are in danger of extinction. Even if the techniques of genetic engineering are fully applied to the development of new kinds of crops, there will need to be a source of appropriate genes the plants that we are passively allowing to become extinct could well provide such genes, and we should find and conserve them while they still exist.


Pathogenic microorganisms

The members of the normal microbiota can cause diseases under certain circumstances. Since they have a non-invasive way of life defined by limitations of the medium, unless they are held they can become pathogenic. Population levels of microorganisms are determined by the exogenous and endogenous multifactorial processes ( Griffiths 2001 Griffiths BS, Ritz K, Wheatley R, Kuan HL, Boag B, Christensen S. et al. An examination of the biodiversity-ecosystem function relationship in arable soil microbial communities. Soil Biol Biochem. 2011 33: 1713-1722. ).The bacteria of the intestinal tract have heterogeneous distribution. The colonization of the intestinal tract depends on the ability of bacterial adhesion. There are bacteria on the adhesion sites on the intestinal mucosa, which need not to be periodically reintroduced. However, there is the native biota that is external to the gut ecosystem, thus is transient. The microbiota has the following functions: antibacterial, immunomodulatory and metabolic. Antibacterial prevents the establishment of pathogenic bacteria. Immunomodulatory activity helps the immune system and metabolic function contributes to facilitate the nutrition ( Brandt et al. 2006 Brandt KG, Sampaio MMSC, Miuki CJ. Importância da microbiota intestinal. Pediatria. 2006 28(2): 117-127. ). It is important to highlight the impact that pathogenic bacteria can cause in the public health issue, resulting serious intestinal diseases such as diarrhea - considered as the most common disease caused by viruses and bacteria and one of the diseases that affects large no of children in the world. Hence, it is important to know the bacteria that may possibly compromise the gut and the human organism as a whole ( Clotildes 2007 Clotildes MNM, Taddei JAAC, Diniz-Santos DR, May DS, Carneiro, NB, Silva LR. Incidence of diarrhea: poor parental recall ability brazilian journal of infectious diseases. Braz J Infect Dis. 2007 11(6): 130-142. ). The use of antibiotics in the rats can increase intestinal microbiota associating to some changes that affect the acquisition of energy from compounds in the diet and how it is spent and stored ( Ley et al. 2005 Ley RE, Backhed F, Turnbaugh P, Lozupone CA, Knight RD, Gordon JI. Obesity alters gut microbial ecology. Proc Natl Acad Sci. 2005 102(31): 1-7. ).Salmonela is represented by more than 40 serogroups and 2000 serotypes and may be classified as typhoid and non-typhoid. This genre is usually associated with food. Salmonella enteritidis ( Fig. 2B) is one of the serotypes most widely distributed in the world and one of the major contaminants in food, usually beef, pork, poultry and eggs. This bacterium usually causes fever, abdominal cramps and diarrhea, which can present blood clots. A study by the Center for Epidemiological Surveillance - SES / SP showed that from 1999 to 2007, S. enteritidis was responsible for 42.3% of outbreaks of diarrhea, showing the attention in public health that this bacterium should be given ( Kirk et al. 2004 Kirk MD, Little CL, Lem M, Fyfe M, Genobile D, Tan A. et al. An outbreak due to peanuts in their shell caused by Salmonella enterica serotypes Stanley and Newport-sharing molecular information to solve international outbreaks. Epidemiol Infect. 2004 132(4): 571-577. Unicomb et al. 2005 Unicomb LE, Simmons G, Merritt T, Gregory J, Nicol C, Jelfs P et al. Sesame seed products contaminated with Salmonella: three outbreaks associated with tahini. Epidemiol Infect. 2005 133(6): 1065-1072. DOI:10.1017/S0950268805004085.
https://doi.org/10.1017/S095026880500408. Paiao et al. 2013 Paião FG, Arisitides LGA, Murates LS, Vilas-Bôas GT, Vilas-Boas LA, Shimokomaki M. Detection of Salmonella spp, Salmonella enteritidis and Typhimurium in naturally infected broiler chickens by a multiplex PCR-based assay. Braz J Microbiol. 2013 (1): 37-42. ).

Escherichia coli (EPEC) ( Fig. 2C) causes gastroenteritis in almost all age groups. Esto es similar a Shigella sp ( Fig. 2D) because it penetrates directly into the intestinal epithelium where it can multiply, causing dysentery. It can be transmitted by the consumption of water and many foods such as milk and milk products. The importance of EPEC as a cause of diarrhea has declined since the 1960s, but is the primary infectious agent in children in developing countries, including South America, Africa and Asia. EPEC outbreaks are sporadic, emerging in places where sanitary conditions are poor ( Silva et al. 2001 Silva ZN, Cunha AS, Lins MC, Carneiro LAM, Almeida ACF, Queiroz MLP. Isolation and serological identification of enteropathogenic Escherichia coli in pasteurized milk in Brazil. Rev Saúde Pública. 2001 (4): 375-379. Maltick et al. 2010 Maltick L, Rolon AS, Stenert C. Aquatic macrophytes in natural and managed wetlands of Rio Grande do Sul State, Southern Brazil. Acta Limnol Bras. 2010 2: 133-146. ). Other bacteria that are not involved directly with the human gut, but are cause of worry in the matter of public health, are related to urogenital infections, such as Proteus vulgaris( Fig 2A), which inhabits the human gut, but causes urinary tract infections and other complications ( Rodrigues and Barroso 2011 Rodrigues FJ, Barroso AP. Etiologia e sensibilidade bacteriana em infecções do trato urinário. Ver Port Sau Pub. 2011 2: 123-131. ).

Having a prebiotic diet can help treating the intestine infections, such as those caused by the bacteria of the genus Salmonella because these prebiotic molecules serve as substrate for the growth of bacteria, which has the potential to eradicate other pathogenic bacteria such as Lactobacillus ( Kumar et al. 2012 Kumar A, Henderson A, Forster GM, Goodyear AW,Weir TL, Leach JE. et al. Dietary rice bran promotes resistence to Salmonella enterica serover Typhimurium colonization in mice. BMC Microbiol. 2012 12: 1-7. DOI:10.1186/1471-2180-12-71
https://doi.org/10.1186/1471-2180-12-71. ).

Microbial diseases of the large intestine are second only to the respiratory system diseases. Pathogens are able to cross the digestive system and extend to organs, causing numerous diseases, e.g., gastroenteritis caused by Salmonela and rotavirus. Bacillus cereus is common in the soils and vegetables. Rice has vast abundance of this bacterium. It is generally harmless, but when found in the foods, can cause illnesses such as gastroenteritis. The rice, for being a plant that is cultivated in water, has the risk of receiving numerous microorganisms. Water is characterized by low nutrients. Therefore, bacteria tend to grow on standing surfaces in particular materials, as is the case with rice ( Pomeroy 1974a Pomeroy LR. The ocean's food web a changinging paradigm. Biociencia. 1974a 24: 499-504. Pomeroy et al. 2007b Pomeroy LR, Willians PJI, Azam E, Hobbie JE. The microbial loop. Oceanography. 2007b 20: 28-33. Andreoti et al. 2009 Andreoti FD, Azevedo JL, Araújo WL. Assessing the diversity of bacterial communities associated with plants. Braz J Microbiol. 2009 40: 417-432. DOI: 10.1590/S1517-83822009000300001
https://doi.org/10.1590/S1517-8382200900. ). Therefore, paddy fields are important for local biodiversity conservation because they support a rich biodiversity and high productivity feature. Rice is one of the most important cereal crops in the world. Therefore, the conservation of biodiversity in agriculture is a challenge of great importance. Several studies have demonstrated the contribution of ecosystems such as rice, providing habitats for creation of numerous microorganisms ( Hofman et al. 2003 Hofman J, Bezchlebová J, Dušek L, Doležal L, Holoubek I, Ansorgová A. et al. Novel approach to monitoring of the soil biological quality. Environ Int. 2003 28(8):771-778. DOI: 10.1016/S0160-4120(02)00068-5.
https://doi.org/10.1016/S0160-4120(02)00. Maltick et al. 2010 Maltick L, Rolon AS, Stenert C. Aquatic macrophytes in natural and managed wetlands of Rio Grande do Sul State, Southern Brazil. Acta Limnol Bras. 2010 2: 133-146. ).

The microorganisms in the biosphere perform important functions, for example, the influence on biogeochemical processes. In aquatic environments, there is an important chain of interactions that affect the elements involved in the environment ( Comte y col. 2006 Comte J, Jacquet S, Viboud S, Fontvieille D, Millery A, Paolini G. et al. Microbial community structure and dinamics in the largest natural French lake (Lake Bourget). Microb Ecol. 2006 52: 72-89. DOI:10.1007/s00248-004-0230-4.
https://doi.org/10.1007/s00248-004-0230-. ). It is noteworthy that quality evaluations in health should always aim at the welfare of the patient, which is always the focus of the studies. Therefore, monitoring allows detecting the faults and correcting them in order to not compromise the product and the consumer ( Abrantes et al. 2007 Abrantes PM, Magalhães SMS, Acúrcio FA, Sakurai E. Quality assessment of antibiotic prescriptions dispensed at public health units in Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil, 2002. Cad Saúde Pública. 2007 23(1): 95-104. DOI: 10.1590/S0102-311X2007000100011
https://doi.org/10.1590/S0102-311X200700. ).

It is possible to relate the bacteria of rice with their intake and activity within the human body. Microorganisms can generate many by-products through fermentation, which may even have commercial value and are easily produced. The cost/price margin is small because they can be easily replaced by cheap products and chemicals however, they are naturally formed in the body.

The development of non-dairy probiotic products is a major challenge in the food industry because many are lost during the processing and storage of the product. Cereals such as rice have been widely studied and can be used as fermentable substrates that favor the growth of probiotic microorganisms ( Pomeroy et al. 2007b Pomeroy LR, Willians PJI, Azam E, Hobbie JE. The microbial loop. Oceanography. 2007b 20: 28-33. Oliveira and Jurkiewicz 2009 Oliveira LB, Jurkiewicz CH. Influência de inulina e goma acácia na viabilidade de bactérias probióticas em leite fermentado simbiótico. Braz J Food Technol. 2009 12(2): 138-144. DOI: 10.4260/BJFT20095808.
https://doi.org/10.4260/BJFT20095808. ). Microorganisms have a high degree of specificity, acting separately in chemical reactions. Therefore, with the development of biotechnology, it could be possible to manufacture the food and perform transformations that can affect people's lives.


Ver el vídeo: Microbiologia genética bacteriana y diversidad microbiana 1 y 2 resumen (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Salman

    Espero que todo esté bien

  2. Cynrik

    ¡Maravilloso! ¡Gracias!

  3. Dourr

    Creo que está equivocado. Estoy seguro. Puedo demostrarlo. Escríbeme en PM, habla.

  4. Yosho

    un líder con una computadora portátil - simplemente genial

  5. Taymullah

    Un pensamiento excepcional))))



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