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LaBMax - Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia

O Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia - LaBMax atua nas áreas de Biotecnologia, Microbiologia Geral  e Ambiental, com ênfase em morfologia, ultraestrutura e evolução de organismos magnetotáticos. 

Apesar da aparente simplicidade, organismos procarióticos podem apresentar complexas estruturas  na sua parede celular, membrana citoplasmática, flagelar e até em seu citoplasma, como é o caso dos magnetossomos em bactérias magnetotáticas. Magnetossomos são compostos de um cristal magnético de magnetita (Fe3O4) ou greigita (Fe3S4), envolto por uma membrana fosfolipídica. Essas organelas são produzidas de forma biologicamente controlada, existindo um complexo sistema genético de controle da pureza, tamanho e formato dessas estruturas.

Uma vez formados, os magnetossomos ficam alinhados em uma ou múltiplas cadeias no interior do citoplasma, permitindo que esses organismos se alinhem as linhas do campo geomagnético e usem essa orientação para se deslocar de forma mais eficiente pelos gradientes físico-químicos presentes na coluna d'água de seus ambientes. Além dessa vantagem ecológica dada as bactérias magnetotáticas, os magnetossomos são nanopartículas de grande interesse biotecnológico devido ao seu tamanho, formato e composição bem controladas de forma espécie específica.

Nosso grupo desenvolve ferramentas capazes de caracterizar propriedades magnetotáticas de organismos encontrados em amostras ambientais através de técnicas avançadas de microscopia e visa o entendimento do processo de evolução da magnetotaxia utilizando técnicas de caracterização molecular e ultraestrutural independente de cultivo de ultima geração.

Pesquisa

Diversidade de Bactérias Magnetotáticas

O termo bactéria magnetotática não apresenta nenhum valor taxonômico, existindo representantes desse grupo de bactérias nas classes Alpha, Beta, Gama e Delta do filo Proteobacteria, no filo Nitrospira e ainda no candidato a filo OP3. Apesar da grande diversidade, acreditamos que a representatividade de organismos magnetotáticos ainda é subestimada, sendo necessários mais trabalhos envolvendo amostras ambientais, dos mais diversos ambientes, para podermos ter uma melhor visão da real diversidade e versatilidade desses microrganismos. Através de análises dos magnetossomos por microscopia eletrônica, e dos microrganismos por técnicas de sequenciamento, hibridização in situ por fluorescência (FISH), e análise do comportamento magnetotático por microscopia ótica, nosso grupo foi responsável pela identificação de inúmeros novos organismos magnetotáticos, com destaque para diversas espécies de procariotos multicelulares magnetotáticos (MMP) e bactérias magnetotáticas encontradas na Antártica.

Evolução da Magnetotaxia

Mesmo pertencenco a grupos filogenéticos relativamente distantes, bactérias magnetotáticas apresentam algumas características semelhantes, como parede celular Gram-negativa, sensibilidade ao oxigênio, motilidade gerada por flagelo e a formação dos magnetossomos. Um grande número de estudos genéticos relacionados a biomineralização dos magnetossomos foram desenvolvidos nos últimos anos, porém eles abordam somente um grupo limitado de bactérias magnetotáticas, em sua quase totalidade pertencentes a classe Alphaproteobacteria. Hoje sabemos que existem grupos específicos de genes associados a formação e organização dos magnetossomos (genes mam), genes associados a magentotaxia exclusivos de alguns grupos filogenéticos (genes man, genes mad), porem poucas informações são conhecidas de outros grupos representativos de bactérias magnetotáticas observadas no ambiente. Nosso grupo vem realizando a análise do comportamento magnetotático e dos genes associados a biomineralização em espécies de bactérias magnetotáticas encontradas em abundância em amostras ambientais, mas foram deixadas de fora das análises iniciais sobre o surgimento e evolução da magnetotaxia. Utilizando técnicas independentes de cultivo e pelo isolamento em cultura pura de novas espécies de bactérias magnetotáticas pretendemos realizar a comparação de genes que possam estar relacionados à transferência horizontal dos genes associados à biomineralização. Nessa linha de pesquisa merece destaque a caracterização dos genes de biomineralização do procarioto multicelular magnetotático, o isolamento da primeira bactéria magnetotática no hemisfério sul, a caracterização da primeira Betaproteobactéria magnetotática e a primeira bactéria magnetotática com comportamento tipo norte no hemisfério sul.

Produção e aplicação de Magnetossomos

As propriedades fisicas, químicas e biológicas dos magnetossomos os tornal nanopartículas de grande interesse comercial. A pureza na sua constituição, o seu tamanho bem controlado, estrutura cristalográfica bem definida, estabilidade magnética e o revestimento com uma membrana biológica são algumas das características presentes nos magnetossomos que são difíceis de se alcançar em partículas sintetizadas artificialmente. Nosso grupo de pesquisa realizou a otimização do cultivo da bactéria magnetotática Magnetovirbio blakemorei através de análises envolvendo planejamento experimental, e ainda adaptou o seu cultivo para um biorreator de bancada, potencializando a produção de magnetossomos prismáticos pela primeira vez. Atualmente o grupo tem interesse em abordar novas estratégias de cultivo no biorreator para potencializar e funcionalizar o processo de biomineralização das bactérias magnetotáticas já descritas em cultura.

Pesquisa

Essas são as linhas de pesquisa desenvolvidas no LaBMax nesse momento

Diversidade de Bactérias Magnetotáticas

O termo bactéria magnetotática não apresenta nenhum valor taxonômico, existindo representantes desse grupo de bactérias nas classes Alpha, Beta, Gama e Delta do filo Proteobacteria, no filo Nitrospira e ainda no candidato a filo OP3. Apesar da grande diversidade, acreditamos que a representatividade de organismos magnetotáticos ainda é subestimada, sendo necessários mais trabalhos envolvendo amostras ambientais, dos mais diversos ambientes, para podermos ter uma melhor visão da real diversidade e versatilidade desses microrganismos. Através de análises dos magnetossomos por microscopia eletrônica, e dos microrganismos por técnicas de sequenciamento, hibridização in situ por fluorescência (FISH), e análise do comportamento magnetotático por microscopia ótica, nosso grupo foi responsável pela identificação de inúmeros novos organismos magnetotáticos, com destaque para diversas espécies de procariotos multicelulares magnetotáticos (MMP) e bactérias magnetotáticas encontradas na Antártica.

Evolução da Magnetotaxia

Mesmo pertencenco a grupos filogenéticos relativamente distantes, bactérias magnetotáticas apresentam algumas características semelhantes, como parede celular Gram-negativa, sensibilidade ao oxigênio, motilidade gerada por flagelo e a formação dos magnetossomos. Um grande número de estudos genéticos relacionados a biomineralização dos magnetossomos foram desenvolvidos nos últimos anos, porém eles abordam somente um grupo limitado de bactérias magnetotáticas, em sua quase totalidade pertencentes a classe Alphaproteobacteria. Hoje sabemos que existem grupos específicos de genes associados a formação e organização dos magnetossomos (genes mam), genes associados a magentotaxia exclusivos de alguns grupos filogenéticos (genes man, genes mad), porem poucas informações são conhecidas de outros grupos representativos de bactérias magnetotáticas observadas no ambiente. Nosso grupo vem realizando a análise do comportamento magnetotático e dos genes associados a biomineralização em espécies de bactérias magnetotáticas encontradas em abundância em amostras ambientais, mas foram deixadas de fora das análises iniciais sobre o surgimento e evolução da magnetotaxia. Utilizando técnicas independentes de cultivo e pelo isolamento em cultura pura de novas espécies de bactérias magnetotáticas pretendemos realizar a comparação de genes que possam estar relacionados à transferência horizontal dos genes associados à biomineralização. Nessa linha de pesquisa merece destaque a caracterização dos genes de biomineralização do procarioto multicelular magnetotático, o isolamento da primeira bactéria magnetotática no hemisfério sul, a caracterização da primeira Betaproteobactéria magnetotática e a primeira bactéria magnetotática com comportamento tipo norte no hemisfério sul.

Produção e aplicação de Magnetossomos

As propriedades fisicas, químicas e biológicas dos magnetossomos os tornal nanopartículas de grande interesse comercial. A pureza na sua constituição, o seu tamanho bem controlado, estrutura cristalográfica bem definida, estabilidade magnética e o revestimento com uma membrana biológica são algumas das características presentes nos magnetossomos que são difíceis de se alcançar em partículas sintetizadas artificialmente. Nosso grupo de pesquisa realizou a otimização do cultivo da bactéria magnetotática Magnetovirbio blakemorei através de análises envolvendo planejamento experimental, e ainda adaptou o seu cultivo para um biorreator de bancada, potencializando a produção de magnetossomos prismáticos pela primeira vez. Atualmente o grupo tem interesse em abordar novas estratégias de cultivo no biorreator para potencializar e funcionalizar o processo de biomineralização das bactérias magnetotáticas já descritas em cultura.

 

Publicações

Aqui estão destacadas as publicações realizadas pelo grupo nos últimos 3 anos. Para mais publicações consulte o curriculum Lattes dos pesquisadores

Leão, Pedro; Gueiros-Filho, F.J.; D.A. Bazylinski; Lins, Ulysses; Abreu, Fernanda. Association of magnetotactic multicellular prokaryotes with Pseudoalteromonas species in a natural lagoon environment. Antonie Van Leeuwenhoek International Journal of General and Molecular Microbiology, 2018.

Abreu, F.; Leão, P.; Vargas, G.; Cypriano, J.; Figueiredo, V.; Prast, A.E.; Bazylinski, D. A.; Lins, U. Culture-independent characterization of a novel uncultivated magnetotactic member of the Betaproteobacteria class of the Proteobacteria phylum from an acidic lagoon. Environmental Microbiology, v. 1, p. 1, 2018.

Rodelli, D.; Jovanove, L.; Roberts, A.P.; Cypriano, J.; Abreu, F.; Lins, U. Fingerprints of partial oxidation of biogenic magnetite from cultivated and natural marine magnetotactic bacteria using synchrotron radiation. Environmental Microbiology Reports, v. 10, p. 343-343, 2018.

Leão, Pedro; Chen, Yi-Ran; Abreu, F.; Wang, Mingling; Zhang, Wei-Jia; Zhou, Ke; Xiao, Tian; Wu, Long-Fei; Lins, U. Ultrastructure of ellipsoidal magnetotactic multicellular prokaryotes depicts their complex assemblage and cellular polarity in the context of magnetotaxis. Environmental Microbiology (Print), v. 1, p. 1, 2017.

Zhu, X.; Hitchcock, A. P.; Nagard, L. L.; Bazylinski, D. A.; Morillo, V. ; Abreu, F.; Leão, P.; Lins, U. X-ray Absorption Spectroscopy and Magnetism of Synthetic Greigite and Greigite Magnetosomes in Magnetotactic Bacteria. Geomicrobiology Journal, v. 1, p. 1, 2017.

Abreu, F.; Araujo, A. C. V.; Leão, Pedro; Silva, K.T.; Marques, F. ; Cunha, O.; Almeida, L. G. P.; Geurinkc, C.; Farina, M.; Rondelli, D.; JovaneO, L.; Pellizari, V. H.; de Vasconcelos, Ana Tereza R.; Bazylinski, D. A.; Lins, U. Culture-independent characterization of novel psychrophilic magnetotactic cocci from Antarctic marine sediments. Environmental Microbiology (Print), v. 1, p. 1-16, 2016.

Araujo, Ana Carolina Vieira; Morillo; Viviana; Cypriano, Jefferson; Teixeira, Lia; Leão, Pedro; Lyra, Sidcley; Almeida, Luiz Gonzaga; Bazylinski, Dennis; Vasconvelos, A.T.R.; Abreu, F.; Lins, Ulysses. Combined genomic and structural analyses of a cultured magnetotactic bacterium reveals its niche adaptation to a dynamic environment. BMC Genomics, v. 17, p. 726, 2016.

Leão, Pedro; Teixeira, Lia C. R. S.; Cypriano, Jefferson; Farina, M; Abreu, F.; Bazylinski, Dennis A.; Lins, Ulysses. North-Seeking Magnetotactic Gammaproteobacteria in the Southern Hemisphere. Applied and Environmental Microbiology (Print), v. 82, p. 5595-5602, 2016.

Trubitsyn, Denis; Abreu, Fernanda; Ward, F. Bruce; Taylor, Todd; Hattori, Masahira; Kondo, Shinji; Trivedi, Urmi; Staniland, Sarah; Lins, Ulysses; Bazylinski, Dennis A. Draft Genome Sequence of Magnetovibrio blakemorei Strain MV-1, a Marine Vibrioid Magnetotactic Bacterium. Genome Annoncements, v. 4, p. e01330-16, 2016.

 

Integrantes

Fernanda de Avila Abreu

Fernanda adquiriu o doutorado em microbiologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 2010. Sua tese intitulada "Bactérias magnetotáticas encontradas em ambientes extremos" foi realizada sob orientação do Prof Ulysses Lins, com um período sanduíche na Universidade de Nevada Las Vegas (UNLV) sob supervisão do Prof. Dennis Bazylinski, com quem realizou o seu pósdoutorado em 2015. Em 2013 se tornou professora do Instituto de Microbiologia Paulo de Goes (IMPPG) na UFRJ. Atualmente é chefe do LaBMax e da Unidade de  

Microscopia Multiusuário (UniMicro).  Atua como membro permanente da pós-graduação no Instituto de Microbiologia e no programa de Biotecnologia Vegetal.

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Gabriele Vargas

Bacharel em Ciências Biológicas Microbiologia e Imunologia na Universidade Federal do Rio de Janeiro (2010). Mestra (2013) e Doutora (2016) em Ciências Biológicas (Microbiologia) no Departamento de Microbiologia Geral, IMPG – UFRJ sob orientação do Prof. Leonardo Nimrichter. Doutorado sanduíche realizado no Departamento de Doenças Infecciosas Microbiologia e Imunologia em Albert Einstein College of Medicine sob orientação do Prof. Joshua Nosanchuk. Atualmente atua como Pós-Doc no Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia (LaBMax), sob a

supervisão da Professora Fernanda Abreu. Está inserida nos projetos: estudo da biosfera rara de ecossistemas do Estado do Rio de Janeiro e magnetossomos para aplicações biomédicas de relevância para o homem.

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Tarcísio Correa

Técnico de Laboratório e aluno de Mestrado em Biotecnologia (PBV/UFRJ), é graduado em Farmácia (UFRJ). Desenvolve projeto de dissertação com dois focos principais: bioprocessos para a produção de magnetossomos e suas aplicações nanotecnológicas e biotecnológicas. Realiza também atividades de suporte à pesquisa, como preparo e observação de amostras em microscopia para usuários internos e externos ao laboratório. Possui grande interesse em processos fermentativos, química de nanopartículas e suas aplicações.

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Mariana Verdan

Mariana é bacharel em Microbiologia e Imunologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2017). Atualmente é aluna de Mestrado do programa de Ciências (Microbiologia) do Instituto de Microbiologia Paulo de Góes (IMPG) e desenvolve sua dissertação no
Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia no estudo de magnetossomos e suas aplicações biotecnológicas, sob supervisão da Professora Fernanda Abreu. Possui experiência na área de microbiologia geral e microbiologia ambiental.

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Igor Taveira

Igor é engenheiro formado pela UFF (2015) e atualmente cursa Ciências Biológicas: Microbiologia e Imunologia na UFRJ onde é aluno de iniciação científica no Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia. Seu interesse de estudo é entender como  a biomineralização de magnetossomos e o comportamento magnetotático evoluiram ao longo do tempo e se espalharam pelos diferentes microrganismos.

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Pedro  Leão

Pedro terminou o doutorado em microbiologia em 2018 pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. Seu projeto de doutorado intitulado "Diversidade de microrganismos magnetotáticos: Novas fronteiras da evolução da magnetotaxia" foi desenvolvido no LaBMax sob orientação dos professores Ulysses Lins e Fernanda Abreu. Durante o doutorado passou um  

período no laboratório do professor Arash Komeili na Universidade da California Berkeley (UC Berkeley). Atualmente é professor visitante no Instituto de microbiologia Paulo de Góes. Seu interesse envolve o estudo do citoesqueleto procarioto, mais especificamente o processo de compartimentalização em bactérias.

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Jefferson Cypriano

Jefferson possui graduação em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (2012) e mestrado em Ciências (Microbiologia) pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2015). Atualmente é doutorando do curso de biotecnologia vegetal e bioprocessos na Universidade Federal do Rio de Janeiro sob orientação da professora 

Fernanda Abreu. Tem experiência em Biologia Geral e em microscopia eletrônica de transmissão (TEM/HRTEM/STEM) e microanálise (EDS, EELS).

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Eduardo de Resende

Eduardo é formado em Microbiologia e Imunologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 2017 e cursando Mestrado em Ciências (Microbiologia) no Instituto de Microbiologia Paulo de Góes (IMPG), com projeto de dissertação sob supervisão da Prof.ª Fernanda Abreu no Laboratório de Biologia Celular e Magnetotaxia (LaBMax). Tem interesse nas áreas de ultraestrutura

e caracterização de bactérias magnetotáticas. Possui experiência em Ultramicrotomia e Microscopia Eletrônica de Transmissão.

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Juliana Guimarães

Juliana é estudante de graduação em Ciências Biológicas: Microbiologia e Imunologia na UFRJ e aluna de Iniciação Científica no LabMax desde 2016. Seu projeto de
monografia envolve a Caracterização morfológica e filogenética de bactéria magnetotática de fontes termais. Seu estágio é realizado sob a orientação da professora Fernandan Abreu. Tem interesse na área da 

Bioinformática, com ênfase em genômica, tendo cursos na Unicamp e na USP sobre o assunto

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Júlia de Castro

Júlia é graduanda em Ciências Biológicas pela Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro (UNIRIO). Faz iniciação científica no LabMax sob a orientação da professora Fernanda Abreu e tem interesse em estudar o processo de genes de biomineralização em microrganismos magnetotáticos encontrados em amostras ambientais.

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Fotos

MTB2014, Rio de Janeiro
LaBMax, 2017
LaBMax, 2018
Magnetofaba australis cepa IT-1

Magnetofaba australis cepa IT-1.

MMP Ca. Magnetoglobus multicellularis cepa Araruama

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Magnetofaba australis cepa IT-1

Magnetofaba australis cepa IT-1.

MMP Ca. Magnetoglobus multicellularis cepa Araruama

Cocos magnetotáticos de Maricá, RJ.

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