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 l @ u p r . e d uB-338 / Ext. 3956

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

Tree of LifeCharles D

arwin

Microbial communities in natural and engineered ecosystems:

How to analyze their diversity and

structure, and understand their

genetic interactions

OrganismoGenes /

Genomas

Ambiente

GENOMICA

ECOLOGIAECOLO

GIA

DE GENES

Biol4365Dr. Arturo Massol

MICROBIAL ECOSYSTEMS

Soils: 1 g : ca. 108 bacteria - 1 µm/cel

100 m bacteria

: 1 kg : 100 km

: 1 hectare: 300.000.000 km

> Distance Earth-Sun!

(150.000.000 km)

Enormous numbers:

MICROBIAL ECOSYSTEMS

"Agriculture: + and - Bioremediation

"Water treatment/ hygiene"Air purification/ Transport

of pathogens

"Agriculture, food safety, health

Ecosystem Relevance/Applications

Chemical balance biosphere

Soil

WaterAir

Hosts: plants, animals,

humans

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 sA t l a s & B a r t h a , 4 t a E d i c i ó n ( 1 9 9 8 )

. . . 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

s e m e s t r e

¡Acceso a documentos de la clase!

• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Pron4365(2009).pdf

• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Propuesta.pdf

• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Forney.pdf

Universal Phylogenetic Treebased on rRNA sequences

From: Woese (2000) PNAS 97:8392-8396.

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!

Questions in Microbial Ecology

! Temporal Differences! Spatial Differences! Treatment Effects

! Measures of Diversity

1. ! = within site

2. " = between site

3. # = between regions! Descriptors of Diversity

1. species richness

2. species evenness

3. species composition

Diferencias TemporalesDiferencias EspacialesEfecto de Tratamientos

Medidas de Diversidad: 1. alfa-diversidad (dentro de un lugar) 2. beta-diversidad (entre lugares) 3. gama-diversidad (entre regiones)

Descripción de Biodiversidad: 1. Riqueza de especies 2. Equitabilidad de especies 3. Composición

Environmental Complexity

Selection

Heterogeneous Environment

Homogeneous Environment

Few GenotypesSuccessful

Many GenotypesSuccessful

‘Species’

Abundance

Richness Evenness Composition

Sp. IISp. I

RECURSOS

Sp. II Sp. IISp. I Sp. I

Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I

GANA Especie I

Nutrientes

T (oC)

pH

bajo

alto

alto

alto

DNA

RNA

Proteínas

DogmaCENTRAL

Población 1

Población I1

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.

Nutrientes

T (oC)

pH

bajo

alto

alto

alto

DNA

RNA

Proteínas

DogmaCENTRAL

Población 1

Población I1

Sp. IISp. I

RECURSOS

Sp. II Sp. IISp. I Sp. I

InteraccionesMAYOR

DIVERSIDADSp. I Sp. I Sp. I Sp. I

ej. PATOGENOS/DEPREDADORES

Effect of limiting substrate on growth

Monod Growth Equation

µ = µmax

Survival under nutrient-limited conditions

SKs + S

µ = Growth rateµmax = Maximal growth rateS = Substrate concentrationKs = Substrate concentration where growth rate is one-half maximum rate

Growth of bacterial populations in the environment is typically limited by the availability of 1 or more nutrients

µ and KS Relationships

B

For any D (= µ), the organism with the lowest KS will out-compete an organism with a higher KS.

PANEL A. At all D, KSA < KSB and A is more competitive, i.e., µA > µb.

PANEL B. At low [S] KSA < KSB and µA > µb ∴ organism A is more competitive; while at other [S] KSB > KSA and µb > µA ∴ organism B is more competitive.

¿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)

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

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.

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...

4. 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...