evolucion taxonomia 2011 (1)
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Clasificación taxonómica y filogenéticaTaxonomía numérica y agrupamiento jerárquico.
Taxonomía molecular.
MICROBIOLOGIA AGRICOLA y AMBIENTAL
2011
Clasificación taxonómica y filogenética
Análisis fenotípicos
y genotípicos
AnálisisGenotípicos(Evolución)
Taxonomía vs. Filogenia
Evolución de la Tierra y primeras formas de vida
Organismos primitivos
Los organismos primitivos debieron tener
Un metabolismo
Un mecanismo hereditario
“progenote”: estructuras complejas, pero que no se pueden considerar seres vivos
Primeros organismos vivos, unicelulares
Anaerobio
quimiolitotrofo
Organismos primitivos
Último ancestro común
Bacterias
Arquibacterias
Eucariotas
Aparecen dos mecanismos para transferir material genético
Transferencia lateral Transferencia vertical
Los organismos primitivos y el mecanismo hereditario
• Las formas replicativas de RNA se integraron establemente en vesículas lipoproteicas formando entidades celulares
• Las proteínas reemplazaron las funciones catalíticas del RNA
• El DNA reemplazó las funciones codificantes del RNA
Las RNA polimerasas cometen más errores que las DNA polimerasas
Si se hubiera mantenido el RNA como material genético codificante, no hubieran existido las formas celulares complejas actuales
Origen de los eucariotas modernos por eventos endosimbióticos
Madigan MT, Martinko JM, Parker J. (2000), Brock Biología de los Microorganismos
• El primer evento en la formación de un eucariota fue la formación del núcleo
• Los cloroplastos se formaron a partir de bacterias fotosintéticas de vida libre que entraron en relación simbiótica con algún eucariota primitivo
• Las mitocondrias surgieron por un proceso similar.
• La hipótesis endosimbiótica ha recibido apoyo con el descubrimiento de una cianobacteria endosimbiótica que se encuentra adentro de un alga (Cyanophora paradoxa) y actúa como su cloroplasto
Filogenia
Análisis comparativo de genes o proteínas (reloj
o cronómetro molecular)
Secuenciación
Elección del mejor cronómetro evolutivo
• Debe estar universalmente distribuído en el grupo elegido para el estudio
• Debe tener funciones homólogas para cada organismo
• Se deben poder alinear para identificar secuencias homólogas y heterólogas
• La secuencia elegida debe cambiar a una velocidad conmensurable con la distancia evolutiva medida. Cuanto mayor sea la distancia filogenética medida, menor debe ser la velocidad a la cual la secuencia cambia
rRNA como cronómetro evolutivo
En procariotas: 5S; 16S; 23S
En eucariotas: 18S
Distribución generalizada
El producto de este gen realiza la misma función en todos los organismos
Baja frecuencia transferencia lateral
• Estructuras con baja tasa de mutación, y otras con tasas más altas.
Existen bases de datos que almacenan un número muy grande de secuencias diferentes para este gen
Preparación de un árbol de distancias filogenéticas a partir de secuencias de rRNA 16S
Organismo Secuencia
A CGUAGACCUGAC
B CCUAGAGCUGGC
C CCAAGAGCUGGC
D GCUAGAUGUGCC
Organismos a comparar
Distancia evolutiva (ED)
ED corregida
A con B 0.25 0.30
A con C 0.33 0.44
A con D 0.42 0.61
B con C 0.25 0.30
B con D 0.33 0.44
C con D 0.33 0.44
Árbol filogenético, generado por computadora como el mejor ajuste de los ED corregidos
0.23
0.02
0.29
0.15
0.080.08
A
D
C
B
De esta forma si comparamos A con B resulta la suma 0.23 + 0.08 = 0.31.A con C = 0.23 + 0.08 + 0.15 = 0.46, que son valores muy semejantes a los valores de la tabla anterior.
Detección del DNA Contenido genómico G+C
Uno de los métodos más utilizados es por absorción en el UV (260nm)El DNA bicatenario absorbe menos que el monocatenario, ya que el apareamiento de las bases reduce la absorción en el UV
Desnaturalización de los ácidos nucleicos
Si se observa la absorbancia a 260nm a medida que se calienta un DNA bicatenario, se obtiene el Tm, que está en función del contenido G+C.
A mayor % G+C, mayor Tm
Porcentaje de G+C
% G+ C =
G + C
A + T + G + C
Organismos con fenotipos muy semejantes no siempre poseen % G+C similares
Si dos organismos que se creían cercanamente relacionados por sus propiedades, tienen % G+C muy diferentes, seguramente métodos más cuidadosos de análisis indicarán que no son tan cercanos como se creía
Dos organismos con idéntico % G+C no necesariamente son relacionados, pueden ser taxonómica y filogenéticamente no relacionados porque sus secuencias son diferentes
50 9070 8060
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
A260 relativa
50% del aumento total de la
A260
E. coli
Ps. aeruginosa
Tm (°C) 69 76 GC (%) 50 68
Curvas de desnaturalización de dos ADNs con distinto contenido de G+C
Contenido en G+C en el ADN de cepas pertenecientes a una especie
Pseudomonas spp Número de cepas
estudiadas
(G+C)%
P.aeruginosa 11 67,2 ± 1.1
P. acidovorans 15 66,8 ± 1.0
P. testosteroni 9 61,8 ± 1,0
P. cepacia 12 67,6 ± 0,8
P. pseudomallei 6 69,5 ± 0,7
Contenido en G+C en el ADN de cepas pertenecientes a una especie
Hibridización de ácidos nucleicos
Compara las secuencias de sus DNA’s
Si dos organismos tienen muchos genes similares o idénticos, tendrán muchas secuencias similares en sus DNA’s (gran homología). Esos DNA’s hibridizarán en una proporción acorde a las similitudes de sus secuencias.
Es un procedimiento útil para resolver relaciones a nivel de especie o menor
Hibridización de ácidos nucleicos
• El DNA se prepara a partir de organismos testigos. El DNA de uno de los organismos (organismo 1) está marcado con 32Pi.
• Experimento de hibridización. Se han probado todas las combinaciones, en cada experimento se añadió DNA no marcado para impedir el reapareamiento del DNA marcado. Luego de la hibridización se separa el DNA hibridizado del no hibridizado para medir solamente la radiactividad del DNA hibridizado.
• Resultado obtenido. La radiactividad en el control se toma como el 100% del valor de hibridización
Valores relativos de formación de duplexos
ADN-ADN ADN-ARNr
P. acidovorans / P. acidovorans 100 100
P. acidovorans / P. testosteroni 33 92
P. acidovorans / P .delafieldii 0 89
P. acidovorans / P. facilis 0 87
P. acidovorans / P. saccharophila 0 79
Valores relativos de formación de duplexos
Árbol filogenético universal
Este árbol filogenético fue obtenido a partir de la secuenciación del rRNA. Los datos apoyan una separación en tres dominios, dos de los cuales, Bacteria y Archaea, contienen solo representantes procarióticos. La localización marcada en rojo es la raíz del árbol y representa la posición del ancestro universal de todas las células.
Principales características diferenciales entre los dominios Bacteria, Archaea y Eukarya
Característica Bacteria Archaea Eukarya
Estructura celular procariota Si Si No
DNA circular Si Si No
Membrana nuclear Ausente Ausente Presente
Acido murámico de la pared celular Presente Ausente Ausente
Lípidos de membrana Uniones éster Uniones éter Uniones éter
Ribosomas 70S 70S 80S
tRNA iniciadorFormil-
metioninaMetionina Metionina
Sensibilidad a Chl, Sm, Kn Si No No
Metanogénesis No Si No
Reducción de Sº a H2S Si Si No
Nitrificación Si No No
Desnitrificación Si Si No
Fijación de nitrógeno Si Si No
Clorofila en la fotosíntesis Si No Si
Quimiolitotrofía (Fe, S, H2) Si Si No
Gránulos de PHB Si Si No
Clasificación taxonómica y filogenética
Análisis fenotípicos
y genotípicos
AnálisisGenotípicos(Evolución)
Taxonomía vs. Filogenia
Identificación Nomenclatura
TaxonomíaEs la ciencia de la clasificación
Determinar el grupo al que pertenece un aislamiento particular
Asignar un nombre a un grupo taxonómico
Subdisciplinas principales
Clasificación taxonómica
Clasificación y concepto de especie
En microbiología la unidad taxonómica básica es la especie
Especie Género Familia Orden
División Dominio Clase
Cepa: Poblacional clonal originada en un único individuo
Especie?
Nomenclatura
Sistema binomial Especie: Nombre del género + epiteto
Escherichia coli E. coli
Bacillus subtilis B. subtilis
Aspergillus niger A.niger
Un cultivo puro de una especie nueva debe depositarse en
ATCC: American Type Culture Collection
DSMZ: Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen
Los cultivos se mantienen liofilizados o congelados a –140º en 20% glicerol
Colecciones mundiales de cultivos puros
Clasif icación microbiana
Taxonomía clásica
Taxonomía numérica
Taxonomía genética o molecular
Taxonomía clásica o numérica
Algunas características fenotípicas de valor taxonómico
MorfologíaTinción de GramTipo de nutrición: fototrofía, quimiotrofíaEstructura química de la pared celularPresencia de inclusiones celulares y acumulación de productos de reservaEstructura química de la cápsulaCapacidad para usar diferentes fuentes de carbono, nitrógeno, azufreProductos de la fermentaciónRequerimientos y tolerancias a los gases, temperatura, pHSensibilidad a antibióticosPatogenicidadRelaciones simbióticasCaracterísticas inmunológicasHabitat
Reacción de GramObtención d e un
cultivo puro
Aislamiento de una bacteria del intestino de animales de sangre
caliente
Gram negativo Gram positivo
Forma de bastón
Otra forma
Aerobio estrictoAerobio facultativo
Fermenta lactosa con ácido y gas
No fermenta lactosa
Pruebas bioquímicas típicas de E.coli Escherichia coli
Metodología utilizada para identificar una nueva bacteria entérica
Taxonomía numérica y agrupamiento jerárquico
Coeficiente de similitud a
a + b +cS =
Se comparan muchas características de dos microorganismos, 1 y 2, con igual peso cada una
a: Nº de características positivas en los dos microorganismosb: Nº de características positivas en 1 y negativas en 2c: Nº de características positivas en 2 y negativas en 1
Agrupamiento de acuerdo al porcentaje de similitud
Resultados del agrupamiento
1 grupo2 grupos 2 grupos2 grupos2 grupos1 grupo
1,3 1,3 2,5 1,3,4 2,5 1,3,4 2,5 1,3,4 2,5 1,3,4,2,5
908070605040
5 grupos 1,1 2,2 3,3 4,4 5,5100
Número de grupos
Agrupamiento% similitud
Construcción de una matriz de similitud
Construcción de dendrogramas
Dendrograma100908070605040
1 3 4 2 5
Agrupamiento
% similitud
• Se examina un gran número de características fenotípicas de las bacterias 1, 2, 3, 4 y 5. Las similitudes entre las bacterias analizadas se expresan como porcentajes en una matriz de similitud
• Las bacterias que se parecen son agrupadas
El producto de los análisis de agrupamiento se expresan como dendrogramas.
Bibliografía
Brock Biología de los Microorganismos. Madigan MT, Martinko JM, Parker J. (2000). Editorial Prentice Hall. New York, USA
Biology of the Prokaryotes. Lengerer JW, Drews G, Schlegel HG. (1999). Editorial Thieme NY.
Microbial diversity and ecosystem function. Allsopp D, Colwell RR, Hawksworth DL (1995). Editorial CAB International . Oxon UK.
Hanbook of new bacterial systematics. Goodfellow M, O’Donnell AG. (1993). Editorial Academic Press, Orlando FL.