ECOLOGIA MICROBIANA (BIOL 4365) D r. A r t u r o M a s s o l D e y á. a r t u r o. m a s s o u p r. e d u B-338 / Ext. 3956

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1 ECOLOGIA MICROBIANA (BIOL 4365) D r. A r t u r o M a s s o l D e y á a r t u r o. m a s s o u p r. e d u B-338 / Ext H o r a s d e O f i c i n a : L & M 2 : 3 0 a 4 : 0 0 P M

2 Tree of Life Charles Darwin

3 Microbial communities in natural and engineered ecosystems: How to analyze their diversity and structure, and understand their genetic interactions

4 Biol4365 Dr. Arturo Massol GENOMICA Genes / Genomas Organismo ECOLOGIA DE GENES Ambiente ECOLOGIA

5

6 MICROBIAL ECOSYSTEMS Enormous numbers: Soils: 1 g : ca bacteria - 1 µm/cel 100 m bacteria : 1 kg : 100 km : 1 hectare: km > Distance Earth-Sun! ( km)

7 MICROBIAL ECOSYSTEMS Ecosystem Soil Water Air Hosts: plants, animals, humans Relevance/Applications "Agriculture: + and - Bioremediation "Water treatment/ hygiene "Air purification/ Transport of pathogens Chemical balance biosphere "Agriculture, food safety, health

8 ECOLOGIA MICROBIANA (BIOL 4365) L i b r o d e T E X T O ( R e f e r e n c i a P r i m a r i a ) M i c r o b i a l E c o l o g y : F u n d a m e n t a l s a n d A p p l i c a t i o n s Atlas & Bartha, 4ta Edición (1998)... p e r o s u l i b r o d e t e x t o d e m i c r o b i o l o g í a g e n e r a l B i o l o g y o f M i c r o o r g a n i s m s p u e d e a s i s t i r l e s e n e l semestre

9 Acceso a documentos de la clase! Pron4365(2009).pdf Propuesta.pdf Forney.pdf

10 Universal Phylogenetic Tree based on rrna sequences micro-organisms: largest diversity, mostly unknown 2 species: <70% similar multicellular, macroscopic organisms: small branches in the Eucarya-domain: Homo sapiens -chimpansee: 98.4% similar! From: Woese (2000) PNAS 97:

11

12 Questions in Microbial Ecology! Diferencias Temporal Temporales Differences! Diferencias Spatial Differences Espaciales Efecto! Treatment de Tratamientos Effects Medidas! Measures de Diversidad: of Diversity 1. alfa-diversidad 1.! = within (dentro site de un lugar) 2. beta-diversidad 2. " = between (entre site lugares) 3. gama-diversidad 3. # = between (entre regions regiones)! Descriptors of Diversity Descripción 1. species de richness Biodiversidad: 1. Riqueza 2. species de especies evenness 2. Equitabilidad 3. species composition de especies 3. Composición

13 Environmental Complexity Selection Heterogeneous Environment Homogeneous Environment Many Genotypes Successful Few Genotypes Successful

14 Richness Evenness Composition Abundance Species

15 GANA Especie I Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I Sp. II Sp. II Sp. I Sp. II RECURSOS

16 Dogma CENTRAL ph alto DNA Población 1 RNA Población I1 bajo alto T ( o C) Proteínas alto Nutrientes

17 Dogma CENTRAL ph alto DNA Población 1 RNA Población I1 bajo T ( o C) alto Proteínas alto Nutrientes COMPETITIVE EXCLUSION PRINCIPLE No two species can occupy precisely the same ecological niche If two species coexist in a stable environment, they do so by niche differentiation. Niche differentiation occurs through adaptive evolution. If there is no niche differentiation, then one species will eliminate or exclude the other.

18 ej. PATOGENOS/DEPREDADORES Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I Interacciones MAYOR DIVERSIDAD Sp. I Sp. I Sp. II Sp. II Sp. I Sp. II RECURSOS

19 Effect of limiting substrate on growth

20 Survival under nutrientlimited conditions Growth of bacterial populations in the environment is typically limited by the availability of 1 or more nutrients Monod Growth Equation µ = µ max S K s + S µ = Growth rate µ max = Maximal growth rate S = Substrate concentration K s = Substrate concentration where growth rate is one-half maximum rate

21 µ and K S Relationships B For any D (= µ), the organism with the lowest K S will out-compete an organism with a higher K S. PANEL A. At all D, K SA < K SB and A is more competitive, i.e., µ A > µ b. PANEL B. At low [S] K SA < K SB and µ A > µ b organism A is more competitive; while at other [S] K SB > K SA and µ b > µ A organism B is more competitive.

22 Quien eres y qué haces? Cultivo y caracterización Análisis de DNA (ej. 16S rrna, Phylochips) Microscopía/RAMAN Cuán rápido trabajas? Process rate Enzyme activity RNA (no incubation necessary)

23 Métodos de cultivo Por qué sólo recuperamos 0.1% o menos de la diversidad microbiana? Platos de Agar (Siglo 19) R. Koch, Walter Hasse & esposa & Juliius Petri

24 Cultivo de Microorganismos Fastidiosos 1. Agentes solidificantes Agar y agentes inhibidores, uso de gellan gum como agente solidificante aumenta el número de microorganismos cultivables por un factor de 10.

25 2. Factores de crecimiento desconocidos (ej. quorum sensing) Necesidad de factores de crecimiento o alguien que remueva ciertos desperdicios (Growth Factors Network). Cultivo con sobrenadante filtro-esterilizado de otros donde este organismo aun no cultivado está creciendo. 3. Sintrofismo (ej. H2 Transfer: sintrofomonas y metanogénicas) Interspecies requirements for growth of microbes in natural communities. Agitación puede ser fatal al dispersar agregados o disipar gradientes necesarios para crecimiento. Paciencia: Se necesitan más estudiantes graduados y subgraduados Concentración de nutrientes (ej. N & P en los océanos en escala de µm: DOC es 1000X menos en la naturaleza que en LB) 5. El tiempo de generación en la naturaleza es en escala de días, semanas, meses o años [no minutos como en cultivos domesticados] Paciencia: Se necesitan más estudiantes graduados y subgraduados...

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