Embed Size (px)
Citation preview
BLOQUE IV EL MUNDO DE LOS
MICROORGANISMOS Y SUS APLICACIONES.
BIOTECNOLOGÍA
1. MICROBIOLOGÍA. CONCEPTO DE MICROORGANISMO
La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos. Se
consideran microorganismos aquellos seres vivos que sólo se pueden
observar con ayuda del microscopio óptico o electrónico.
Se localizan en todas partes: en los fondos oceánicos, en el suelo, en el aire,
en el interior de otros seres vivos y, en general, en cualquier lugar donde
encuentren humedad, temperatura y alimentos adecuados para su desarrollo
y reproducción. Incluso ambientes tan inhóspitos como los hielos de la
Antártida o las aguas termales pueden contener microorganismos.
Dado que la definición hace sólo referencia al tamaño, está claro que el
mundo microbiano incluye seres muy diversos que pertenecen a grupos
muy diferentes.
Los microorganismos pueden ser unicelulares o pluricelulares, eucarióticos
o procarióticos, autótrofos o heterótrofos.
La mayoría de los microorganismos son inofensivos para nosotros, algunos
son muy beneficiosos, incluso imprescindibles, mientras que unos pocos
son patógenos y provocan enfermedades.
2. CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN (GRUPOS PRINCIPALES)
Actualmente se acepta una clasificación de todos los seres vivos en cinco
grandes reinos que consideran las relaciones evolutivas (se trata de una
clasificación natural, mientras que agrupar a los seres vivos según su
tamaño es una clasificación artificial).
Dentro de esta clasificación, encontramos microorganismos en los
siguientes reinos:
Reino moneras, en el que se incluyen las bacterias y las cianobacterias
(antiguas algas cianofíceas o algas verdeazuladas) ambos con un modelo de
organización celular procariota y además son siempre unicelulares.
Reino protistas, que agrupa a las algas, unicelulares y pluricelulares (en
este caso con estructura talofítica) y a los protozoos, siempre unicelulares,
ambos eucariotas.
Reino hongos o fungi, también de organización eucariota, unicelulares o
pluricelulares, donde se sitúan las levaduras, los mohos y los hongos
propiamente dichos (las setas son sólo órganos reproductores de los
hongos).
También se incluyen dentro de los microorganismos a las denominadas
formas acelulares, en las que se incluyen los virus, los viroides y los
priones.
Además de la taxonómica pueden hacerse otras clasificaciones de los seres
microscópicos, siguiendo múltiples criterios: tipo de nutrición, relación con
otras especies, utilidad para los seres humanos, papel que juegan en los
ecosistemas, etc.
En cuanto al modo de nutrición, sabemos que solo hay dos tipos posibles:
los organismos autótrofos y los heterótrofos. Entre los primeros, los hay
que aprovechan la luz como fuente de energía (fotosintéticos) y los que
utilizan la energía desprendida en ciertas reacciones de oxidación de
sustratos inorgánicas (quimiosintéticos).
Los microorganismos autótrofos son las bacterias fotosintéticas, las
bacterias quimiosintéticas y las algas.
Los microorganismos heterótrofos realizan su nutrición a partir de
compuestos orgánicos que han sido formados por otros seres vivos, como
ocurre con las bacterias heterótrofas, los protozoos y los hongos.
Desde el punto de vista ecológico, como integrantes de las cadenas tróficas,
hay que decir que básicamente vamos a encontrar microbios pertenecientes
al primer eslabón (productores) y a los últimos (descomponedores y
transformadores).
Los productores se encuentran en la base de las pirámides alimentarias,
siendo indispensables para iniciar el flujo de materia y energía en los
ecosistemas. Nuevamente se trata de los microorganismos autótrofos, tanto
fotosintéticos como quimiosintéticos.
Los descomponedores y transformadores o mineralizadores son los que
cierran el ciclo de la materia, pertenecen a los grupos de las bacterias y de
los hongos. Desde el punto de vista nutricional, son heterótrofos y pueden
considerarse consumidores muy especializados.
Si tenemos en cuenta las relaciones que pueden mantener con otras
especies, así como el modo en que consiguen el alimento, se clasifican en:
Microorganismos mutualistas y simbiontes: son aquellos que viven
asociados a otros seres vivos, beneficiándose ambos en la relación que
mantienen. Hay muchos ejemplos: algas unicelulares en los corales;
bacterias del intestino de los animales herbívoros; protozoos del intestino
de los insectos xilófagos (comedores de madera); algas que viven con
hongos formando líquenes; bacterias fijadoras de nitrógeno de las raíces de
las plantas leguminosas... La distinción entre la simbiosis y el mutualismo
radica en el hecho de que, en el primer caso, ambas especies se necesitan
obligatoriamente para sobrevivir, mientras que en el mutualismo, las
especies involucradas viven perfectamente sin llegar a esos límites de
dependencia.
Microorganismos comensales: viven junto, sobre o dentro (en sus
cavidades, pero no en su medio interno) de otros organismos sin causarles
perjuicio, pero beneficiándose ellos. Por ejemplo, las bacterias de nuestra
piel, las de la cavidad bucal o incluso la flora intestinal. (No siempre está
claro el tipo de relación y en ocasiones se puede pasar de una forma a otra:
nuestras bacterias de la faringe son comensales, pero si encuentran un
resquicio lo aprovechan e invaden nuestro medio interno. La flora vaginal
evita las infecciones, la flora intestinal nos protege igualmente de especies
invasoras y aporta vitaminas ¿Se podría vivir sin ellas?: la línea que separa
el comensalismo del oportunismo o por el contrario del mutualismo es a
veces difícil de trazar).
Microorganismos parásitos: establecen una relación en la que se
benefician causando un perjuicio al hospedador. Son organismos de
nutrición heterótrofa y pueden producir enfermedades, siendo en este caso
denominados patógenos.
Ciertos microbios se alimentan activamente capturando a otros
microorganismos. Por ejemplo, el protozoo paramecio se alimenta de
bacterias. En este caso debería ser llamado “depredador” pero, sin
embargo, se dice que es un ser de “vida libre”.
Los microrganismos saprofitos u organismos saprobios son aquellos que
siendo heterótrofos descomponen materia orgánica muerta, y son
responsables de su descomposición (ya sea oxidándola mediante
respiración o bien fermentándola). Según una clasificación vista
anteriormente, los microbios saprofitos son los descomponedores y
transformadores.
Una última clasificación, basada en criterios utilitaristas (utilidad para los
humanos) es la que diferencia entre:
Microorganismos inocuos o inofensivos, que en definitiva no nos afectan
ni positiva ni negativamente.
Microorganismos perjudiciales, entre los que encontramos organismos que
nos dañan indirectamente al descomponer nuestros alimentos, alterar la
calidad de las aguas (bacterias anaerobias que fermentan materia orgánica)
o afectar a nuestros bienes (como los hongos que destruyen la madera) y
los que nos dañan directamente produciendo enfermedades y que
denominamos organismos patógenos.
Microorganismos beneficiosos que son todos aquellos que pueden sernos
de alguna utilidad. Existen multitud de ellos y hoy día constituyen la base
de la Biotecnología. Muchos han sido utilizados desde tiempos remotos
(levaduras que producen alcohol o bacterias del yogur, por ejemplo) pero
actualmente con las técnicas de ingeniería genética se están creando
microbios genéticamente modificados capaces de producir numerosas
sustancias diferentes (por ejemplo, la bacteria transgénica que produce
insulina humana).
Debe quedar muy clara la importancia de los microorganismos en nuestro
planeta. Es solo una parte minúscula la que produce enfermedades o daños
a nuestros bienes frente al gran número de especies que hacen que los
ecosistemas “funcionen” y se mantengan en equilibrio. Nosotros mismos,
los humanos, es posible que tuviéramos graves problemas si no contáramos
con la presencia de los billones de bacterias que viven sobre o en nosotros.
3. MICROORGANISMOS EUCARIÓTICOS.
3.1. Principales características de algas, hongos y protozoos.
Reino Protistas
Se trata de un reino que incluye organismos unicelulares y pluricelulares
indiferenciados (sus células no están especializadas formando tejidos) con
estructura celular eucariota. Los microorganismos clasificados en este
grupo se distinguen entre sí por el tipo de nutrición: así, las algas
unicelulares son autótrofas fotosintéticas, mientras que los protozoos son
heterótrofos.
Algas microscópicas
Son organismos eucarióticos, autótrofos fotosintéticos, unicelulares o
pluricelulares (en este caso con estructura talofítica), presentan pared
celular formada por celulosa y otros polisacáridos como la pectina, a veces
impregnada por componentes minerales como CaCO3 en algas calcáreas o
SiO2 en las diatomeas. Presentan cloroplastos con distintos tipos de
pigmentos (clorofilas, pigmentos carotenoides y ficobilinas), los pigmentos
accesorios les proporcionan coloraciones específicas.
Habitan en medios acuáticos, tanto en agua dulce como en agua salada, o
en lugares húmedos, como cortezas de árboles o en superficies rocosas;
algunas establecen simbiosis con hongos (líquenes) o con animales tales
como esponjas o celentéreos, haciéndolos, por tanto, dependientes de la
luz, puesto que las algas la necesitan para hacer la fotosíntesis. [Tanto las
esponjas como los corales que contienen algas, necesitan fabricar su
esqueleto de carbonato cálcico y lo consiguen por precipitación de
bicarbonato presente en el agua. La actividad fotosintética de las algas
requiere dióxido de carbono del medio. Es la retirada de este gas la que
desplaza la reacción del bicarbonato hacia la precipitación en carbonato].
Las algas microscópicas pueden vivir libres o asociadas en colonias más o
menos complejas.
La importancia de las algas microscópicas radica en que realizan la mayor
parte de la fotosíntesis de la Tierra (el 70%) liberando grandes cantidades
de oxígeno a la atmósfera, además constituyen el primer eslabón de las
cadenas tróficas de los ecosistemas acuáticos (son los principales
componentes del fitoplancton). Por otro lado, son la base más económica
para la síntesis de biodiesel, en particular las diatomeas, por su elevado %
de ácidos grasos, aunque de momento no pueden hacer frente a los
combustibles tradicionales.
Se clasifican en función de sus pigmentos y de las sustancias de reserva que
acumulan. Hay muchos grupos diferentes (saber que hay una gran
diversidad de grupos y conocer algún ejemplo puede resultar
suficiente): Las euglenofíceas son algas verdes dulceacuícolas muy frecuentes en aguas
eutrofizadas (contaminación de las aguas por el exceso de nutrientes,
principalmente nitrógeno y fósforo, procedentes mayoritariamente de la
actividad del hombre), en las que nadan libremente impulsadas por un largo
flagelo. Cuando las condiciones ambientales son desfavorables, pierden ese
flagelo y se enquistan, resistiendo así los períodos de sequía.
Las pirrofíceas se caracterizan por la coloración pardo-amarillenta de sus
células y por presentar dos flagelos y una especie de armadura formada por
placas de celulosa la presencia de dos flagelos. Cuando proliferan en
exceso son responsables de las denominadas “mareas rojas”, producen
toxinas que se acumulan en moluscos como mejillón, almeja, ostra, vieira,
etc.
Las crisofíceas son otras algas unicelulares de color pardo-amarillento,
entre las que destacan, por su abundancia, las diatomeas, caracterizadas
por poseer un caparazón silíceo, a modo de caja, formado por dos delicadas
piezas de sílice que encajan entre sí. Estas cajas están ornamentadas con
numerosos poros diminutos de motivos diferentes y cuando muere el alga
se acumulan formando la tierra de diatomeas. Debido a su contenido en
sílice son excelentes fósiles, muy útiles a los paleontólogos para reconstruir
los cambios climáticos.
La lista de utilidades de la tierra de diatomeas es bastante larga, y va desde
filtro para depurar agua a sustrato para fabricar dinamita o aislante en altos
hornos.
Las clorofíceas o algas verdes tienen representantes tanto unicelulares
como pluricelulares; desde el punto de vista microbiológico interesan las
primeras, que se encuentran formando una parte fundamental del
fitoplancton de aguas dulces.
Protozoos
Son eucarióticos, unicelulares y heterótrofos, generalmente móviles, sin
pared celular, pueden formar estructuras de resistencia como esporas ante
condiciones desfavorables.
Desde el punto de vista ecológico, hay protozoos de vida libre que habitan
en el agua, tanto dulce como salada, en el suelo o en la materia orgánica en
descomposición, llegando a soportar condiciones extremas; otros son
parásitos, causantes de enfermedades como la disentería o el paludismo.
También los hay comensales, que resultan inofensivos.
Uno de los criterios comúnmente usados para clasificarlos es el tipo de
locomoción.
Los rizópodos o sarcodinos, presentan pseudópodos que utilizan no sólo
para su desplazamiento, sino también para la captura del alimento. Un
ejemplo de este tipo son las amebas, que suelen vivir en agua de charcas y
se enquistan cuando las condiciones ambientales les son desfavorables.
Algunas especies habitan en el intestino humano sin causar daño, mientras
que otras producen enfermedades como la disentería amebiana o amebiasis
(fuertes diarreas).
Algunos rizópodos presentan un caparazón calizo, como ocurre en los
foraminíferos, perforado por multitud de orificios que permiten la salida de
finos pseudópodos utilizados en la captura del alimento, o silíceo como
ocurre en los radiolarios.
Los ciliados se desplazan mediante movimientos sincronizados de los
cilios que recubren su superficie. Otras especies viven fijas a un sustrato, y
en ellos, la corriente inducida por el movimiento ciliar atrae a pequeños
organismos de los que se alimentan. Generalmente son acuáticos de vida
libre, aunque hay contadas especies parásitas. Como ejemplos puede
destacar el paramecio, que se alimenta de bacterias y las vorticelas, fijas a
un sustrato por un pedúnculo contráctil, muy útiles a los humanos ya que se
emplean en algunos tipos de depuradoras de aguas residuales para degradar
la materia orgánica (forman parte de los fangos activos).
Los flagelados están dotados de uno o unos pocos flagelos, de los que se
sirven en sus desplazamientos; en este grupo son muy frecuentes las
especies patógenas como los tripanosomas, agentes causantes de
enfermedades terribles como la del sueño, transmitida por la mordedura de
la mosca tse-tse o la leishmaniasis, transmitida por la picadura de las
hembras del mosquito Phlebotomus. También las hay especies simbióticas
en el intestino de las termitas (son las que degradan la celulosa).
Los esporozoos, protozoos sin mecanismos de locomoción, deben su
nombre al hecho de ser protozoos formadores de esporas (célula que se
recubre de una gruesa cubierta resistente y realiza múltiples cariocinesis. Al
romperse la cubierta saldrán muchas nuevas células); son de pequeño
tamaño y parásitos obligados; podemos destacar al plasmodium que causa
el paludismo o malaria, enfermedad muy grave que afecta a millones de
personas en los países tropicales de todo el mundo, transmitido por la
picadura de la hembra del mosquito Anopheles.
Hongos
Son eucarióticos, unicelulares o pluricelulares, no presentan clorofila y son
siempre heterótrofos, presentan pared celular formada por quitina, y
presentan digestión extracelular, liberan enzimas al medio y tras la
digestión absorben los nutrientes.
Los hongos son, mayoritariamente, organismos heterótrofos saprofitos, es
decir, descomponedores de materia orgánica muerta y desempeñan un
papel relevante en los ecosistemas terrestres como recicladores. También
hay especies simbióticas, como ocurre en los líquenes (asociación entre un
alga y un hongo) o con las micorrizas (asociación entre un hongo y la raíz
de un árbol). Hay también especies parásitas que viven sobre o dentro de
otros seres vivos. Por ejemplo, hay hongos parásitos de vegetales como en
la “gomosis” que ataca los conductos de la savia de los cerezos, etc.
También hay hongos de animales como los que producen el “pie de atleta”,
la “tiña” o la “candidiasis” (enfermedad de transmisión sexual).
Aun siendo descomponedores y por lo tanto no parásitos, muchos hongos
pueden causar pérdidas económicas al atacar a los alimentos o a la madera.
Los principales hongos microscópicos son las levaduras y los mohos, pero
estos grupos no tienen ningún valor taxonómico.
Las levaduras son hongos unicelulares que se reproducen por gemación y
que pertenecen al grupo de los ascomicetos. Tienen una gran importancia
económica, pues las fermentaciones del vino, cerveza y pan las realizan
levaduras del género Saccharomyces. El género Candida es bastante común
en la piel y mucosas. Puede ocasionar infecciones, candidiasis, cuando se
rompe el equilibrio del ambiente en el que viven, por una bajada de
defensas, etc.
Se utiliza el nombre de mohos para referirse a una fina capa pulverulenta (a
modo de polvo), de diverso color, que se forma sobre la materia orgánica
como pan, fruta, queso, carne etc., que es fabricada por hongos saprófitos
microscópicos, pluricelulares filamentosos, todos conocemos el moho del
pan (Rhizopus), de aspecto algodonoso, muy frecuente también en frutas y
en otros vegetales. Si bien muchos mohos son perjudiciales porque
estropean la fruta y los alimentos, otros tienen gran utilidad. Los
antibióticos son producidos principalmente por mohos como Penicillium,
que tratan de impedir el desarrollo de las bacterias que competirían con
ellos por los nutrientes del medio.
(Cuadro resumen por si nos preguntan características de los distintos
grupos)
Algas Protozoos Hongos
Nutrición autótrofa heterótrofo heterótrofo
Pared celular Si, celulosa No Si, quitina
movilidad
Algunos con
flagelos
Inmóvil, cilos,
flagelos,
pseudopodos
no
Importancia
Fitoplancton,
biodiesel
Libres o
parásitos anim.
Uso industrial
Forma de vida
Células o
colonias
Celular Células
(levaduras) o
Micelios
Ejemplos
Diatomea,
dinoflagelados
Plasmodium,
Paramecio
Levadura,
Penicilium
Imágenes algas, protozoos y hongos
Diatomeas Dinoflagelados Marea roja
Vorticela Paramecio Tripanosoma
Foraminíferos Radiolarios Ameba
Plasmodium Leishmania Levadura
Rhizopus (moho) Penicillium Candidiasis
4. BACTERIAS. 4.1. Características estructurales.
4.2. Características funcionales. 4.2.1. Reproducción.
4.2.2. Tipos de nutrición.
Las bacterias son organismos unicelulares y procarióticos, no tienen
membrana nuclear y por tanto no presentan un núcleo definido, tampoco
presentan la mayoría de los orgánulos membranosos.
Las bacterias (el término procede del griego y significa palo) son los
microorganismos más extendidos en la naturaleza. Se pueden encontrar
prácticamente en todos los medios, desde manantiales sulfurosos con
temperaturas próximas a la ebullición del agua, hasta hielos antárticos.
Aunque, en ocasiones, se agrupan para formar colonias, lo más frecuente es
encontrarlas individualizadas.
Según su forma, se clasifican en cocos, redondeados, como por ejemplo,
los estreptococos o los estafilococos (bacterias de nuestra garganta),
bacilos, cilíndricos, (en forma de palo) como los lactobacilos (productores
del yogur) o los clostridios (causantes del tétanos o el botulismo) y
espirilos enrollados en espiral; si esta espiral es muy marcada se
denominan espiroquetas, (como el caso de Treponema pallidum, agente
causante de la sífilis) y si es corta e incompleta se habla de vibrios o
bacterias en forma de coma (por ejemplo, Vibrio cholerae, agente del
cólera).
Cocos
En el caso de los cocos, bacterias esféricas, dependiendo de la forma de
agruparse pueden ser, diplococos cuando forman parejas, estreptococos
cuando forman cadenas, estafilococos cuando forman agrupaciones
irregulares, sarcinas cuando forman agrupaciones tridimensionales cúbicas
y tétradas se dividen en dos direcciones perpendiculares, generando una
disposición cuadrada.
Presentan una gran variedad de formas de vida, pueden ser autótrofas o
heterótrofas. Las autótrofas pueden ser fotosintéticas o qumiosintéticas.
En el caso de las autótrofas fotosintéticas, pueden realizar una fotosíntesis
normal como ocurre con las cianobacterias o realizar una fotosíntesis
anoxigénica como ocurre con las bacterias púrpuras y verdes sulfúreas.
Las autótrofas quimiosintéticas, utilizan como fuente de energía la que se
desprende en reacciones de oxidación de sustratos inorgánicos, entre ellas
las bacterias del nitrógeno, las bacterias incoloras del azufre, las bacterias
del hierro y las bacterias del metano. Algunos grupos de estas bacterias
son especialmente importantes en los ciclos biogeoquímicos, ya que son
indispensables en el reciclado de la materia orgánica al ser mineralizadoras
(por ejemplo, las bacterias nitrificantes producen nitratos como residuo,
siendo estos compuestos la fuente de nitrógeno indispensable para los
vegetales.
Las bacterias heterótrofas realizan su nutrición a partir de compuestos
orgánicos que han sido formados por otros seres vivos. Pueden ser
saprófitas, simbióticas y parásitas.
Las saprófitas descomponen la materia orgánica, participando, junto a las
quimiosintéticas, en su reciclado.
Las simbióticas, viven asociadas a otro ser vivo en una relación
beneficiosa para ambos; tal es el caso de las bacterias intestinales de los
herbívoros, que digieren la celulosa, las que viven en las raíces de las
leguminosas fijando nitrógeno atmosférico.
Las parásitas que viven a expensas de otro ser vivo en el que además
provocan diversos trastornos y enfermedades. Son ejemplos de bacterias
parásitas las que producen la sífilis, el tétanos, el cólera, la tuberculosis,
etc.
ESTRUCTURA GENERAL DE LA CÉLULA PROCARIOTA
Existen numerosas diferencias entre las células procariotas y las eucariotas;
sin embargo, también existen numerosas similitudes, ya que ambos tipos de
células comparten un lenguaje genético común y un conjunto semejante de
rutas metabólicas.
La característica más sobresaliente de los organismos procariotas es la
carencia de un verdadero núcleo rodeado por una membrana.
La estructura interna de las bacterias es más simple que la de las células
eucarióticas, pero sus envolturas son más complejas, pueden presentar
hasta tres, son de dentro a fuera, la membrana plasmática, la pared y en
algunas, la cápsula.
Cápsula bacteriana, envoltura gelatinosa de naturaleza glucídica. Está
presente en muchas bacterias patógenas, debido a que facilita la adherencia
del microorganismo a los tejidos específicos del hospedador. También
proporciona protección frente a los fagocitos y los anticuerpos del sistema
inmunitario, así como frente a la desecación, ya que esta capa fija una
cantidad considerable de agua.
La pared celular. Debido a la alta concentración de solutos en el
citoplasma, las bacterias se encuentran sometidas a una elevada presión
osmótica. La pared bacteriana proporciona protección frente a ese choque
osmótico y, además, es responsable de la forma celular.
Es rígida y porosa, la rigidez de las paredes se debe, fundamentalmente, a
una capa de peptidoglucano o mureína, (un heteropolisacárido formado
por dos monosacáridos modificados (N-acetil glucosamina y ácido N-acetil
murámico) y un tetrapéptido).
Los dos monosacáridos se disponen de manera alterna formando largas
cadenas, el ácido N-acetil murámico está unido a un tetrapéptido. Las
cadenas se unen mediante enlaces cruzados que se establecen entre los
tetrapéptidos y que están formados por cinco moléculas del aminoácido
glicocola (puente de pentaglicina).
Tipos de pared. Dependiendo de la estructura de la pared, las bacterias se
divide en dos grupos: bacterias Gram positivas y bacterias Gram
negativas. El nombre se debe a que inicialmente la distinción entre ambos
grupos se llevó a cabo utilizando una tinción diferencial denominada
tinción de Gram.
Las bacterias Gram positivas, se tiñen de azul con con el colorante de
Gran, tienen una gruesa pared monoestratificado, formada
mayoritariamente por el péptidoglucano (constituyendo alrededor del 90
%). Además, pueden presentar pequeñas cantidades de ácidos teicoicos,
unos polímeros de derivados de azúcares, entre otros componentes.
Las bacterias Gram negativas, se tiñen de rosa con el colorante de Gran,
presentan una pared biestratificada, más fina y más compleja que las Gram
positivas. El péptidoglucano representa sólo alrededor de un 10 % de la
pared celular. El resto está formado por una bicapa lipídica denominada
membrana externa que presenta asociadas una gran cantidad de proteínas y
un lipopolisacárido que es exclusivo de estas bacterias.
Gram positiva Gram negativa
La membrana plasmática constituye una fina capa que rodea a la célula:
mantiene la integridad celular y resulta una barrera altamente selectiva. En
cuanto a su estructura, la membrana plasmática de los procariotas es similar
a la de los eucariotas, aunque tiene diferencias en cuanto a la composición
de lípidos. Las principales diferencias son la ausencia de colesterol y la
presencia de unos repliegues que incrementan su superficie, denominados
mesosomas. Los mesosomas mantienen la posición del cromosoma
bacteriano, contienen las enzimas de la respiración, la replicación, la
fotosíntesis, etc. Según su forma pueden ser tubulares, esféricos,
dendríticos, laminares.
Citoplasma
Ribosomas. Las bacterias poseen ribosomas 70S muy similares a los
presentes en las mitocondrias y los cloroplastos de las células eucariotas
(Son algo menores en tamaño que los de los eucariotas). Presentan unos 10
por célula.
Inclusiones. Son acúmulos de distintas sustancias, desprovistos de
membrana. Suelen ser sustancias de reserva como glucógeno, triglicéridos,
almidón, nitrógeno, fósforo y azufre.
Vesículas de gas. Son características de bacterias que viven en medios
acuáticos, tienen forma cilíndrica, con los extremos cónicos y su
membrana, está formada exclusivamente por proteínas.
Material genético. Se concentra en una zona denominada nucleoide,
menos densa que el resto (no se usa apenas este término) y se encuentra en
el citoplasma. Consiste en una molécula de ADN bicatenario a la que se
denomina cromosoma bacteriano. Normalmente suele ser circular
(aunque existen bacterias con ADN lineal), está muy replegado y
normalmente asociado a un mesosoma. Muchas bacterias poseen, además,
otras moléculas más pequeñas de ADN circular extracromosómico,
denominadas plásmidos, que no son esenciales para el crecimiento celular,
pero les suelen conferir ciertas ventajas adaptativas, como por ejemplo la
resistencia a los antibióticos.
Flagelos. Son largos, delgados, ondulados y rígidos, con un tallo formado
por fibras proteicas trenzadas y una zona basal formada por una estructura
con forma de codo y debajo una estructura cilíndrica llamada corpúsculo
basal, formada por 4 discos, dos de ellos anclados en la pared, los otros dos
se encuentran en la membrana y son capaces de girar, transmitiendo este
movimiento al resto del flagelo.
Atendiendo a su distribución las bacterias pueden ser monótricas,
anfítricas, perítricas y lofótricas.
Fimbrias y pili. Son estructuras tubulares y huecas. Las fimbrias no están
presentes en todas las bacterias, y su función parece estar relacionada con
la adherencia a los sustratos. Por su parte, los pili están implicados en el
intercambio de ADN entre las bacterias (se les llama también “pelos
sexuales”).
FISIOLOGÍA DE LA CÉLULA PROCARIOTA
Función de nutrición Las células procariotas se encuentran en cualquier ambiente, por lo que
presentan todas las formas conocidas de nutrición y metabolismo. Según
sea su modo de conseguir materia orgánica, las bacterias se dividen en dos
grandes grupos: autótrofas (fotosintéticas y quimiosintéticas) y heterótrofas
(parásitas, simbióticas y saprófitas). Dentro de estos dos grandes tipos
encontramos todas las variaciones posibles de metabolismo estudiadas con
anterioridad en el tema del metabolismo (fotolitótrofos, fotoorganótrofos,
quimiolitótrofos, quimiorganótrofos, etc.).
Función de reproducción
Las bacterias se reproducen de forma asexual, por bipartición o división
binaria, a la que precede la duplicación del ADN. No hay mitosis ni
meiosis. Una vez que el ADN se duplica se forma un tabique entre las dos
moléculas de ADN, que divide a la bacteria en dos, separándose
posteriormente las células hijas. Por tanto, las bacterias hijas son
idénticamente a sus madres y en pocas horas de división se forma una clon.
Además, las bacterias presentan unos mecanismos muy primitivos que
permiten el intercambio de material genético y que generan variabilidad
genética, se conocen como mecanismos parasexuales e incluyen a la
transformación, la conjugación y la transducción. Generalmente solo se
transfieren fragmentos de ADN cromosómico en un único sentido, de un
medio o un donante a un receptor.
a) La transformación. Es un proceso por el que una bacteria modifica su
genoma por la incorporación de fragmentos de ADN, que se encuentran
libres en el medio procedentes de la lisis de otras bacterias. Este
mecanismo es el que se describió en los experimentos de Griffith con la
bacteria que produce la neumonía, recuerda que esta fue la causa de que las
bacterias de la cepa R se volvieran virulentos. Esos experimentos llevaron
a la demostración de que la información genética estaba en el ADN).
b) La conjugación. Consiste en la transferencia de un pequeño fragmento
de ADN, denominado plásmido conjugativo, desde una bacteria que actúa
como donante a otra que actúa como receptora. Las bacterias donadoras
poseen pequeñas moléculas de ADN, los plásmidos, que pueden ser
transmitidos durante la conjugación o bien donar parte o todo su
cromosoma. Antes de la conjugación, duplican su ADN para no perder
información.
La conjugación se lleva a cabo a través de los pili o pelos sexuales de la
bacteria que actúa como donante, son codificados por genes del plásmido).
c) Transducción. Consiste en el intercambio de material genético entre
bacterias a través de un virus bacteriófago. Cuando se produce el ciclo
lítico, al hacer las copias de material genético de los nuevos virus, se
incorpora ADN de la bacteria hospedadora (algunos genes) al propio ADN
vírico de forma accidental. De esta manera, los bacteriófagos “hijos” lo
transfieren a otras bacterias cuando las infectan en un ciclo lisogénico.
Mediante transducción pueden transferirse artificialmente plásmidos
enteros y porciones cromosómicas de tamaño relativamente grande.
Los mecanismos parasexuales son los responsables de la adquisición de
resistencia frente a los antibióticos por parte de bacterias suceptibles.
Estos tres mecanismos de transferencia se dice que son “horizontales”, para
diferenciarlos de la “transferencia genética vertical”, o de padres a hijos. En
la evolución bacteriana, estos procesos horizontales han influido
notablemente en la diversidad de las bacterias actuales ya que puede haber
intercambios entre especies diferentes.
5. Virus.
5.1. Composición y estructura.
Los virus son las formas acelulares más complejas, existen
aproximadamente 27 grupos que se establecen atendiendo al tipo de células
que parasitan, al tipo de material genético y a la forma de la cápsida
(envoltura de naturaleza proteica).
Los virus se encuentran en el límite entre la materia viva y la inerte, ya que
no se nutren, no se relacionan y para poder reproducirse, utilizan la
maquinaria metabólica de una célula a la que parasitan, siendo por tanto
parásitos obligados.
La mayoría de los virus son mucho más pequeños que las bacterias; los más
grandes apenas alcanzan los 100 nm de diámetro (0,1 micra) frente a las 6-
7 micras de las bacterias.
Estructuralmente todos los virus presentan un ácido nucleico y una
envoltura proteica que recibe el nombre de cápsida, en algunos casos
presentan además, una envoltura membranosa.
Algunos virus pueden contener, además, enzimas víricas. Así, los
bacteriófagos poseen enzimas capaces de degradar la pared bacteriana,
hecho imprescindible para poder introducir el material genético. Por su
parte, ciertos tipos de virus de ARN (retrovirus) contienen enzimas
transcriptasas inversas, necesarias para que la información sea transcrita
a ADN e insertada en el genoma de la célula hospedadora.
Ácido nucleico: El genoma vírico consiste en una molécula de ADN
o de ARN, pero nunca los dos simultáneamente. Pueden presentar
una molécula completa o esta puede estar fragmentada. Hay
genomas víricos de todos los tipos, excepto ARN circular; tanto en
el ADN como en el ARN, las moléculas pueden ser bicatenarias
(cadena doble) o monocatenarias (cadena sencilla). El ADN puede
ser tanto lineal como circular, el ARN es siempre lineal.
Cápsida: La cápsida es una cubierta de naturaleza proteica que cubre
y protege al ácido nucleico, y excepto en los que tienen envoltura
membranosa, es la que reconoce a las células que parasita. Está
formada por el ensamblaje de unas subunidades denominadas
capsómeros que se disponen de forma regular, dando lugar a
diferentes tipos de cápsidas. Contiene proteínas estructurales,
excepcionalmente algunos virus contienen proteínas enzimáticas que
necesitan para penetrar en las células o para replicarse y dirigir la
síntesis de nuevas proteínas víricas.
La forma de la cápsida permite clasificar a los virus en tres grupos:
o Virus cilíndricos: Presentan un aspecto más o menos alargado
que se corresponde con una estructura cilíndrica en la que los
capsómeros se empaquetan con una simetría helicoidal,
amoldándose a la disposición también helicoidal del ácido
nucleico que se encuentra en su interior. Suelen ser parásitos
de células vegetales y entre ellos podemos citar al virus del
mosaico del tabaco. Otro ejemplo es el virus de la rabia.
o Virus esféricos o poliédricos (icosaédricos): Presentan un
aspecto más o menos esféricos, que se corresponde en muchos
de ellos, con una figura geométrica formada por 20 caras
triangulares, denominada icosaedro, en su interior se
apelotona, a modo de ovillo, el ácido nucleico. Son ejemplos
de estos virus el de la poliomielitis o el de la hepatitis.
o Virus complejos: Su estructura es una mezcla de las dos
anteriores, presentan una cabeza icosaédrica donde se
encuentra el ácido nucleico, y una cola helicoidal que termina
en una placa basal con espinas basales (espículas de fijación) y
fibras proteicas caudales. Son virus parásitos de bacterias o
bacteriófagos, también de forma abreviada se conocen como
fagos.
Envoltura membranosa: Es característica de virus que parasitan a
células animales, entre ellos el de la gripe o el del sida. La envoltura
membranosa externa es de naturaleza fosfolipídica, similar a una
membrana celular, pues procede de la membrana celular de la célula
infectada. Pero además contiene proteínas propias del virus, que
actúan como antígenos o sirven para reconocimiento y anclaje a la
célula que tiene que infectar.
La envoltura membranosa es realmente una porción de la membrana
plasmática de la célula parasitada, que el virus “arrastra” en el momento de
su liberación.
5.2. Ciclos de vida: lítico y lisogénico.
El ciclo vírico es el ciclo vital o ciclo infeccioso de un virus, consta del
conjunto de acontecimientos que tienen lugar desde que se incorpora el
virus a una célula hasta la salida de la célula de los nuevos virus formados.
El objetivo de los virus es formar gran cantidad de copias de sí mismos
utilizando la maquinaria metabólica de la célula parasitada para los
procesos de la replicación, transcripción y traducción.
El ciclo vital se ha estudiado principalmente en los bacteriófagos (o fagos),
que parasitan a las bacterias. Aunque los detalles de cada etapa del virus
difieren mucho de unos tipos de virus a otros, en general consiste en la
entrada en el citoplasma de la célula huésped, seguida de reproducción de
las partículas víricas (viriones) gracias a la maquinaria celular y la salida de
los virus al exterior de la célula infectada.
El ciclo se suele dividir en las siguientes fases o etapas:
Entrada en la célula
o Adsorción
o Penetración
Etapa de eclipse
Multiplicación
Liberación
Dependiendo de la duración de la etapa de eclipse los virus presentan dos
tipos de ciclos:
Ciclo lítico (de corta duración)
Ciclo lisogénico (de larga duración)
CICLO LÍTICO
El ciclo lítico es la modalidad más frecuente, que presentan la mayoría de
los virus. El ácido nucleico del virus se hace con el control de la
maquinaria celular y comienza la fase de multiplicación vírica. El periodo
de eclipse es muy corto, dura unos cuantos minutos, los que transcurren
entre la entrada del ácido nucleico vírico al citoplasma y el ensamblaje de
las primeras partículas víricas de la nueva generación.
ENTRADA EN LA CÉLULA
Adsorción: Es una etapa específica en la que el virus reconoce a la célula
parasitada, en este caso a la bacteria. En el reconocimiento participan
proteínas de la cápsida y determinadas glucoproteínas de la envoltura de la
bacteria. Por eso los virus son específicos de cada tipo de células, por
ejemplo, el de la polio ataca a neuronas, el del sida a ciertos linfocitos, el
de la hepatitis a las células hepáticas del hígado, etc.
Penetración: El virus se une a la bacteria por medio de las espículas de la
placa basal, a continuación esta zona libera una enzima que abre un orifico
en las envolturas de la bacteria, por último la cola se contrae e inyecta el
ácido nucleico en el citoplasma. En estos virus la cápsida queda fuera.
ETAPA DE ECLIPSE
Recibe este nombre porque, aparentemente el virus desaparece y
difícilmente puede ser observado al microscopio electrónico, pues ya no
tiene la cápsida. Una vez dentro, el virus interrumpe el normal
funcionamiento de la célula y el ADN bacteriano se degrada. Parece ser
que el genoma del virus se expresa y las enzimas de la bacteria forman una
enzima que destruye al cromosoma bacteriano. A partir de ese momento,
será el ácido nucleico del virus el que dicte las órdenes, comienza a utilizar
la maquinaria de la célula huésped para hacer copias de su genoma y dirigir
la síntesis de nuevas proteínas víricas.
ETAPA DE MULTIPLICACIÓN
En esta etapa se replica el material genético del virus y además se traduce,
haciendo que se formen dos tipos de proteínas, unas estructurales, son las
que formarán parte de la cápsida del virus y otras, enzimáticas que se
encargarán de ensamblar las proteínas estructurales con el ácido nucleico
para formar los nuevos virus.
LIBERACIÓN
Estos virus no abandonan la bacteria, hasta que esta muere al agotar sus
recursos metabólicos, en este momento una enzima (endolisina) destruye
las envolturas de la bacteria quedando los nuevos virus libres y en
condiciones de volver a infectar a otra célula.
CICLO LISOGÉNICO
El ciclo lisogénico es propio de ciertos bacteriófagos, y también de algunos
virus de células animales. El periodo de eclipse es muy largo, pudiendo en
algunos casos llegar a durar años, pues los virus una vez que infectan a la
célula, en vez de destruirla, incorporan su ADN al de la célula, y se
replican juntos, permaneciendo en estado de vida latente. Cuando están en
estado latente, sin que se expresen sus genes se les denomina virus
atenuados, atemperados o profagos. De esta forma todas las células hijas
nuevas también estarán infectadas. El ciclo lisogénico se mantiene hasta
que se produzca un estímulo externo que haga que el profago se convierta
de nuevo en un virus activo, y pase al ciclo lítico.
Mientras la célula está infectada, y contenga el ADN del profago, está
inmunizada frente a infecciones de otros virus del mismo tipo.
El ciclo lisogénico consta de las mismas etapas que el ciclo lítico con la
diferencia, como se indica más arriba, que la duración de la fase de eclipse
es mucho mayor, en algunos casos, como ocurre con el virus del SIDA,
puede durar años.
La capacidad de infección de los virus se debe en parte a su bajo nivel de
complejidad, por lo que pequeños cambios en su información genética
ocasionan grandes cambios en su estructura y funcionamiento general, lo
que les permite evadir la respuesta inmunológica humana y atacar de nuevo
con renovada virulencia. Un caso típico es el virus de la gripe que muta con
frecuencia por lo que varían los péptidos de la envoltura, por eso se
necesita actualizar la vacuna cada año.
6. Partículas infectivas subvirales: viroides y priones.
1. VIROIDES
Se conocen unas dos docenas de enfermedades que padecen los vegetales
provocadas por viroides que son fragmentos de ARN desnudo
monocatenario y circular que se encuentran casi exclusivamente dentro del
núcleo de las células que infectan. Los viroides son los agentes infecciosos
más pequeños y más simples conocidos, carecen de cápsida y de envuelta
externa. Utilizan enzimas de las células parasitadas para replicarse y nunca
se traduce su mensaje genético, esa es la principal diferencia con los virus.
En comparación con otros patógenos de las plantas, los viroides son
extremadamente pequeños en tamaño, unos 246 a 467 nucleótidos,
mientras que el genoma de los virus más pequeños conocidos tiene
alrededor de 2,000 nucleótidos.
Provocan enfermedades en vegetales superiores, especialmente en patatas,
pepinos, limones, tabaco y cocoteros. Los síntomas son parecidos a los de
cualquier infección por virus, entre ellos, enanismo general de la planta,
malformaciones, necrosis, clorosis (color amarillo de las hojas por falta de
clorofila) de las hojas y agrietamiento y deformaciones en el tallo.
El modo en que el viroide llega hasta la célula vegetal y lo infecta se
desconoce totalmente. Tampoco se conoce su mecanismo de acción,
aunque deben interferir en la expresión normal de los genes de la célula.
De momento no se conocen viroides de ADN pero no se puede descartar
que existan.
2. PRIONES
Los priones son unos agentes infecciosos (o partículas infectivas)
formados por una proteína denominada proteína del prion alterada que
causan enfermedades degenerativas en el sistema nervioso tanto en
humanos como en otros mamíferos, denominadas en conjunto
encefalopatías subagudas espongiformes transmisibles.
o Encefalopatías porque las lesiones se localizan en el encéfalo
o Subagudas porque el periodo de incubación es largo
o Espongiformes porque en el cuerpo y en las prolongaciones de las
neuronas aparecen grandes vacuolas que cuando se observa el tejido
afectado al microscopio, recuerda a una esponja.
o Transmisibles porque se transmiten de unos individuos a otros
Las más conocidas son la tembladera o scrapie que afecta a ovejas y cabras,
la encefalopatía espongiforme bovina o enfermedad de las vacas locas, que
afecta al ganado bovino y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, que afecta a
los humanos.
En los años 90, por un problema con los piensos, el llamado mal de las
vacas locas se extendió desde el Reino Unido a buena parte de Europa
afectando a cientos de miles de reses y de personas. Se estableció que el
agente que producía la nueva variante de la enfermedad de Creutzfeldt-
Jacob podía ser un prión, que pasaba de las vacas a las personas.
Los priones fueron descubiertos en 1982 por Stanley Prusiner y rompen
con el concepto de enfermedad infecciosa porque no son seres vivos como
bacterias, hongos o protozoos ni organismos como virus. Son simplemente
proteínas, pero con capacidad infectiva, que se pueden transmitir de un
individuo a otro y que, sin reproducirse (no hay material genético), sí
aumenta su número al “contagiar” a las proteínas del prion normales con
las que se pone en contacto.
La proteína del prion en su forma infecciosa es una proteína que tiene
alterada su estructura espacial (estructuras secundaria y terciaria) y que por
lo tanto está mal plegada. A diferencia del resto de los agentes infecciosos
(virus, bacterias, hongos, protozoos), que contienen ácidos nucleicos (ya
sea ADN, el ARN, o ambos), un prion solamente está compuesto por
aminoácidos y no presenta material genético. Ni siquiera puede decirse que
es una proteína mutada, pues su diferencia con la proteína “normal” es que
su estructura tridimensional no es la correcta, ya que su secuencia de
aminoácidos es la misma.
Cuando un prion entra en un organismo sano, actúa sobre la forma normal
del mismo tipo de proteína existente en el organismo (proteína prión
celuar) (PrPc), modificándola y convirtiéndola en prión (PrPsc) (proteína
prión scrapie). Estos priones recién formados pueden pasar a convertir más
proteínas normales en anormales, provocando una reacción en cadena que
produce grandes cantidades de la proteína del prion anómalas. Estas
moléculas al acumularse producen efectos negativos.
No se conoce con certeza qué funciones tienen las proteínas del prion en su
forma correcta. Sí se sabe que abundan en las células del tejido nervioso y
por eso las enfermedades que producen afectan al sistema nervioso.
Los priones soportan altas temperaturas sin alterarse y también son
resistentes a las proteasas. Por ello, si se ingiere carne de un animal
enfermo, aunque sea cocinada, los priones siguen siendo infecciosos y
resisten a la digestión.
Las enfermedades por priones pueden ser:
- Esporádicas: aparecen de forma espontánea, sin razón conocida
(casi siempre).
- Familiares: tienen un componente genético y por tanto son
heredables.
- Contraídas: contraídas a través de un material contaminado. (Muy
poco frecuentes excepto durante la crisis de las vacas locas y la que
se daba en la tribu de los Fore en Papúa-Nueva Guinea).
Estas enfermedades causadas por priones tardan décadas en aparecer desde
el momento en que se produce la infección (contraídas) o la aparición
espontánea de proteínas del prion anormales (esporádicas y familiares).
Los síntomas, en términos generales, son la falta de control del sistema
locomotor con temblores y falta de coordinación. En humanos hay que
añadir depresión y demencia. En todos los casos se trata de enfermedades
degenerativas incurables y que causan la muerte. Al parecer las defensas
inmunitarias son incapaces de destruirlos, pues no la reconocen como
extraña ya que la diferencia con la proteína normal es mínima.
7. Métodos de estudio de los microorganismos. Esterilización y
pasteurización.
7.1. Métodos de estudio de los microorganismos (referido a bacterias y
muy resumido)
El estudio de los microorganismos tiene dos objetivos principales: el
aislamiento de un microbio concreto y el cultivo del mismo en el
laboratorio para poder identificarlo.
Para cultivar microorganismos se necesitan medios de cultivo adecuados.
Un medio de cultivo es una solución nutritiva que permite el crecimiento
de los microorganismos. Los medios de cultivo deben contener
macronutrientes: incluyen una fuente de carbono, nitrógeno, fósforo,
azufre y oxígeno (solo los aerobios) y micronutrientes: diversos iones
(hierro, etc.) y factores de crecimiento (vitaminas) que se necesitan en
cantidades mínimas y, por supuesto, agua.
Los medios de cultivo pueden ser medios líquidos, que se preparan en
matraces o tubos de ensayo y medios sólidos, que se preparan en placas de
Petri, agregando agar, un polisacárido procedente de un alga, que da al
medio una consistencia gelatinosa.
Una vez preparados los medios se procede a inocular o sembrar el
microorganismo. Los recipientes y materiales que vayan a ser utilizados
deben ser limpiados y esterilizados cuidadosamente y después de introducir
el microorganismo deseado, debe quedar protegido de la contaminación
externa.
El inóculo o material microbiano, se introduce, generalmente, con un hilo
de metal o asa de siembra, que se esteriliza antes y después de su uso.
La siembra en medio sólido se hace introduciendo el asa en el medio de
cultivo y realizando estrías paralelas sobre la placa de agar.
Aunque se encuentren en el medio todos los nutrientes necesarios, el
crecimiento microbiano depende de otras condiciones:
o El pH. Es preciso establecer un pH óptimo para que se inicie el
crecimiento y mantenerlo durante todo el proceso. En la mayoría de
los microorganismos pH óptimo de crecimiento está próximo a 7,
aunque algunos prefieren pH alcalinos y otros toleran pH ácidos.
o La Temperatura. La mayoría de las bacterias del suelo y del agua
son mesófilas, es decir, sus temperaturas óptimas oscilan entre 20 y
45 ºC, pero, existen algunas cuyo crecimiento óptimo está a
temperaturas superiores (termófilas) o inferiores (psicrófilas).
o La presión osmótica. Sólo las bacterias marinas y las halófilas
(adaptadas a vivir en medios hipertónicos), dependen para su
existencia de determinadas condiciones salinas y se lisan cuando se
las cambia del medio salino a agua destilada.
o El oxígeno. Todas las bacterias aeróbicas obligadas necesitan
oxígeno. En microorganismos anaerobios estrictos, hay que excluir
totalmente el oxígeno atmosférico.
o El dióxido de carbono. Este gas es la principal fuente de carbono de
organismos fotoautótrofos y quimioautótrofos, pero además cumple
numerosas funciones catalíticas en los heterótrofos.
o La luz. Para el cultivo de microorganismos fotosintéticos la luz es
esencial y se debe tener en cuenta no sólo su cantidad sino también
su calidad (longitudes de onda).
La observación de las bacterias al microscopio (morfología microscópica)
es insuficiente para identificar la mayoría de ellas (solo algunas especies
tienen formas muy características) y por eso hay que recurrir a pruebas
indirectas. La primera de ellas suele ser una tinción, denominada tinción de
Gram que permite diferenciarlas en uno de dos grandes grupos: gram
positiva o gram negativa. Tras ello puede observarse (morfología
macroscópica) el desarrollo de las colonias sembradas en las placas de
Petri. Su forma, color, aspecto, incluso olor, pueden facilitar la
identificación. En caso de no ser suficiente, hay que recurrir a pruebas
bioquímicas basándonos en que algunas especies poseen enzimas capaces
de catalizar reacciones específicas. Para ello se añaden al medio esos
sustratos que pueden ser alterados si existen tales enzimas. Por ejemplo,
hay bacterias que contienen peroxidasa de modo que si se añade peróxido
de hidrógeno (agua oxigenada) producirán su descomposición que será
observable por la presencia de pequeñas burbujas de oxígeno.
Hay otras muchas pruebas que permiten determinar de qué bacterias se
trata (genéticas, mediante anticuerpos, etc.
7.2. Esterilización y pasteurización
La desinfección es el proceso mediante el cual se eliminan los microbios
patógenos reconocidos, pero no necesariamente todas las formas de vida
microbianas.
La esterilización es la eliminación o muerte de todos los microorganismos
que contiene un objeto o sustancia. Tanto en su forma activa como latente
(esporas bacterianas). La esterilización absoluta no es fácil de conseguir si
se trata de sustancias, por ejemplo, alimentos, ya que se alteran los mismos.
Se considera que un producto es estéril, cuando la probabilidad de que un
microorganismo esté presente en forma activa o latente es muy baja (no se
puede hablar de certeza al 100%).
Los agentes que matan microbios son denominados microbicidas o
germicidas (de germen). Y se emplean términos como bactericidas si el
agente específicamente destruye bacterias y fungicidas si mata hongos.
Tras una exposición del objeto o sustancia esterilizados al medio, aire o
agua, estos se contaminan de nuevo y casi inmediatamente con
microorganismos.
Existen muchas formas de esterilizar para eliminar microbios.
Diferenciamos entre métodos químicos y métodos físicos y, dentro de estos
últimos destacamos los térmicos. La elección de un método u otro tiene que
ver con el objeto o material a desinfectar y/o esterilizar, alimentos, material
médico (instrumental quirúrgico, jeringuillas, gasas, …), quirófanos,
tejidos vivos, etc.
Los métodos químicos consisten en la aplicación de sustancias germicidas.
Las más empleadas según los materiales a esterilizar son el peróxido de
hidrógeno (agua oxigenada), algunos tipos de alcoholes, el formol y el
óxido de etileno.
Entre los métodos físicos, que no utilizan sustancias químicas, se emplean:
Irradiación: las radiaciones, que pueden ser ionizantes (rayos X) o no
ionizantes, destacando la radiación ultravioleta o las microondas.
Filtración: si se desea esterilizar un líquido, se pueden emplear filtros de
poro tan pequeño que no pueden ser atravesados ni por microorganismos ni
por virus.
Tratamientos térmicos: destaca la utilización del calor húmedo y para
ello se emplea un aparato llamado autoclave (es una olla exprés de gran
tamaño). El agua a presión hierve por encima de los 120ºC de modo que se
genera una atmósfera de vapor recalentado que mata todos los gérmenes,
incluso las esporas de algunas bacterias que resisten normalmente a la
ebullición (100ºC). Se utiliza para esterilizar instrumental de laboratorio y
quirúrgico. El calor seco, empleando un horno, también se emplea en
algunos casos.
Para conservar alimentos se emplea un método térmico denominado
pasteurización o pasterización. El nombre viene de Louis Pasteur,
científico francés que a finales del siglo XIX propuso el método, una vez
que demostró que los microbios estaban en el medio y que por lo tanto
podían contaminar cualquier materia presente en él. Existen varias
modalidades:
Proceso tradicional de pasteurización (proceso VAT), hoy día en desuso.
El proceso consiste en calentar los alimentos en un recipiente estando a 63
°C durante 30 minutos, para luego dejar enfriar lentamente.
Proceso de alta temperatura y corto tiempo (HTST). Este método es el
empleado antes de su envasado en líquidos como la leche, los zumos de
fruta, la cerveza, etc. Expone al alimento a altas temperaturas durante un
período breve: 72ºC durante 15 segundos. Puede hacerse en un tanque o a
través de un conducto calentado por donde circula el líquido a tratar (la
leche se conserva unos 15 días. Los zumos, por su acidez, varios meses).
Proceso UHT o de muy alta temperatura. El proceso UHT es de flujo
continuo y mantiene la leche a una temperatura superior más alta que la
empleada en el proceso HTST, y puede rondar los 138 °C durante un
período de al menos dos segundos. Debido a este muy breve periodo de
exposición, se produce una mínima degradación del alimento. Así es como
viene tratada la leche de “tetrabrick” que habitualmente consumimos.
Uperización o uperisación. Se trata de someter el producto, generalmente
leche a una temperatura de entre 140ºC y 150ºC durante unos pocos
segundos, pero inyectándole vapor, lo que hará que el aumento de la
temperatura sea prácticamente instantáneo.
En la esterilización de los alimentos, los avances tecnológicos tratan de
evitar las modificaciones en sus propiedades organolépticas (color, olor,
sabor y textura).
8. RELACIONES ENTRE LOS MICROORGANISMOS Y LA
ESPECIE HUMANA.
8.1. Beneficiosas.
8.2. Perjudiciales: enfermedades producidas por microorganismos en la
especie humana, animales y plantas.
8.3. Los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos.
En cuanto a la relación de los microorganismos con nuestra especie, si
tenemos en cuenta su utilidad, una sencilla clasificación nos permite
distinguir entre microbios inocuos, beneficiosos y perjudiciales.
Entendemos por inocuos aquellos que no nos causan ni beneficio ni
perjuicio. Podemos entender que no siempre es fácil diferenciar unos casos
de otros, Los estafilococos que viven como comensales en la cavidad bucal
y la faringe son inocuos, pero si fallan las barreras defensivas penetran en
nuestro medio interno y producen enfermedades (faringitis, fiebres
reumáticas).
8.1. Beneficiosas. Existen innumerables microorganismos que ofrecen beneficios a la especie
humana. Aquí también podrían hacerse distinciones en cuanto a que el
beneficio sea directo como la producción de vitaminas en el intestino por
las bacterias de “la flora intestinal”; protección frente a microbios
patógenos como los Lactobacilus acidofilus de la vagina o indirecto como
la fabricación de productos alimenticios como vino, cerveza, vinagre,
yogur, encurtidos (aceitunas, pepinillos, alcaparras, etc.); antibióticos como
la penicilina; combustibles como alcohol; o proteínas humanas como la
insulina (se tratarán en biotecnología). Igualmente, pueden considerarse
beneficiosos todos aquellos microorganismos que se emplean en procesos
industriales tales como la depuración de las aguas residuales, la
degradación de los vertidos de petróleo, la producción de metano por
descomposición de residuos orgánicos, etc.
Otro campo de utilidades y beneficios, se han conseguido de aquellos
organismos empleados en ingeniería genética, como ocurre con bacterias
de las que se han obtenido enzimas variadas entre las que destacan las
endonucleasas de restricción y las polimerasas.
Hasta los virus han resultado ser magníficos vectores génicos y productores
de transcriptasas inversas. Una parte fundamental de las herramientas que
se emplean en las técnicas de manipulación genética son esos tipos de
vectores y de enzimas.
8.2. Perjudiciales: enfermedades producidas por microorganismos en
la especie humana, en los animales y en las plantas. En cuanto al calificativo de perjudicial, cabe distinguir entre aquellos
microorganismos que con su actividad pueden producir perjuicios en los
intereses económicos humanos y los que causan enfermedades. En el
primer caso afectan sobre todo a los alimentos, alterándolos y haciéndolos
incomestibles. Se trata de microbios saprofitos, que realizan su nutrición a
partir de materia orgánica muerta y ante los cuales los humanos hemos
desarrollado multitud de estrategias, algunas muy antiguas como la salazón,
la conservación mediante especias, la conservación en manteca, el
ahumado y, más modernamente, la deshidratación, la refrigeración, la
congelación, la esterilización y la adición de sustancias químicas
(conservantes).
Si nos referimos a las especies patogénas o productoras de enfermedades,
hemos de decir que, en conjunto, son las responsables del mayor número de
muertes ocurridas en el planeta. Hay infinidad de organismos patógenos
pertenecientes a casi todos los grupos conocidos, si bien destacarían las
bacterias y los virus.
Entre los virus podemos citar el del SIDA, la gripe, el sarampión, la
varicela, la rubeola, la viruela, la rabia, la hepatitis, el ébola o los
coronavirus como el SARS-coV del año 2002 que provocó 800 muertos, el
MERS-CoV del año 2012 que causó casi 850 muertos y el Sars-cov-2, que
como desgraciadamente todos sabemos, apareció en diciembre de 2019 en
Wuhan, China.
Entre los protozoos se pueden destacar el plasmodio, agente causante de la
malaria o paludismo y que afecta a muchos millones de personas de países
tropicales; el Tripanosoma que causa la enfermedad del sueño y es
endémico de África tropical; algunas especies de amebas causan graves
disenterías o diarreas (amebiasis), igualmente en zonas tropicales. El
toxoplasma es responsable de la toxoplasmosis, una enfermedad leve en
adultos pero que produce malformaciones en los embriones, se da en
España con una alta frecuencia. La leishmania que causa la leishmaniasis,
que afecta tanto a animales como a nuestra especie, donde causa lesiones
que afectan a la piel o a órganos internos.
Algunas especies de hongos también pueden causar enfermedades a los
humanos. Como ocurre con los que producen el pie de atleta, la candidiasis,
la tiña, la aspergilosis (el hongo aspergilus, común en los alimentos
“florecidos”, puede causar una intoxicación por inhalación de esporas que
llega a ser mortal).
Hay un alto número de enfermedades infecciosas cuyo agente causal es una
bacteria. Algunos ejemplos pueden ser los siguientes:
Cólera; sífilis; gonorrea; salmonelosis; tétanos; botulismo; ántrax;
carbunco; difteria; úlcera gastroduodenal; faringitis; otitis; cistitis;
meningitis; conjuntivitis; gangrena; tifus; tuberculosis; lepra; peste
bubónica; la enfermedad del legionario (producida por la legionela)…
El estado de infección generalizada por todo el organismo, producida
gracias a que la sangre ha servido de medio de transporte y dispersión de
las bacterias, recibe el nombre de septicemia y resulta generalmente mortal.
Las quemaduras que afectan a una amplia extensión de la piel “permiten”
la entrada masiva de numerosas bacterias que sin ser estrictamente
patógenas, pueden desbordar al sistema inmunitario y producen septicemia.
8.3. Los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos. Los microorganismos están por todas partes, habiendo colonizado todos los
ambientes, incluso los que están vedados al resto de los seres vivos (hay
microbios en las aguas termales y en aguas con pH muy ácidos). Y por lo
tanto forman parte de todos los ecosistemas.
Encontramos microorganismos en distintos niveles tróficos:
-Microorganismos productores. Son organismos autótrofos. Según su forma
de captar la energía pueden ser fotolitótrofos o quimiolitótrofos. Entre los
productores fotosintéticos hay que destacar las cianobacterias y las algas
unicelulares. Entre los quimiolitótrofos las bacterias del azufre que habitan
en los humeros de las dorsales oceánicas.
-Microrganismos consumidores. Muchos protozoos se alimentan de presas
vivas (bacterias, por ejemplo).
-Microorganismos simbióticos. Destacan los que degradan la celulosa en el
estómago de los rumiantes; los que viven en los nódulos de las plantas
leguminosas y los líquenes (simbiosis entre alga y hongo.
-Microorganismos descomponedores. Son organismos heterótrofos
(quimioorganótrofos) que realizan su nutrición a partir de restos orgánicos.
Son fundamentalmente hongos y bacterias. A estos últimos vamos a
referirnos por su importancia.
En los ecosistemas la energía entra en forma de luz o como energía química
y fluye de un nivel trófico a otro, hasta disiparse en forma de calor. La
materia sin embargo sigue un ciclos y se mantiene constante en nuestro
planeta.
Gracias a los microorganismos descomponedores y mineralizadores los
bioelementos “atrapados” en los restos de los seres vivos como materia
orgánica, son devueltos al medio en forma de materia mineral. Sin esta
labor de reciclaje hace millones de años que la vida habría desaparecido
por agotamiento de materias primas para hacer seres vivos. Por lo tanto,
hay que insistir en el destacado papel de los microorganismos en los ciclos
biogeoquímicos. Los más estudiados son el ciclo del carbono, el del
nitrógeno y el del fósforo.
Algunas biomoléculas son muy difíciles de degradar, pero siempre existe
algún microbio capaz de hacerlo, obviamente, en su propio beneficio (es su
alimento) devolviendo al medio moléculas más sencillas. En muchos casos
la degradación total, es decir, la mineralización se lleva a cabo en etapas en
las que intervienen diferentes especies microbianas (una especie utiliza en
su nutrición los restos orgánicos dejados por otra especie), así, la materia
orgánica es cada vez más simple hasta que llega a ser transformada en
materia mineral (por ejemplo, los compuestos nitrogenados, en los que el
nitrógeno comienza estando en las proteínas y la urea y acaba en forma de
nitratos).
La materia mineral entra en los ecosistemas a través de los organismos
productores y debemos recordar que no les vale cualquier forma. A modo
de ejemplo, el carbono solo puede ser asimilado por los vegetales en forma
de dióxido de carbono y el nitrógeno en forma de nitratos. Por lo tanto,
bajo otras formas estos bioelementos quedan fuera de los ciclos.
9. BIOTECNOLOGÍA
9.1. Concepto y aplicaciones
Se puede definir como el uso de microorganismos en procesos de interés
industrial. De una forma más general se define como el uso de
procedimientos genéticos para la obtención de nuevos organismos capaces
de producir sustancias/productos con valor comercial.
Determinados procedimientos biotecnológicos se remontan a civilizaciones
muy antiguas, tales como las fermentaciones alcohólica o la fermentación
láctica (Con el empleo de organismos vivos se obtiene un producto como el
etanol o el ácido láctico).
En la actualidad, la palabra biotecnología se identifica con la aplicación
industrial de la ingeniería genética, una rama de la biología basada en la
manipulación de los genes y de sus productos, y que utiliza seres vivos
modificados (OGM u organismos genéticamente modificados) para
producir compuestos de todo tipo, tales como insulina humana, hormona
humana del crecimiento, interferón, vacunas, enzimas, antibióticos,
anticuerpos monoclonales, etc.
El enorme interés industrial de los productos obtenidos mediante ingeniería
genética, ha impulsado una carrera de impredecibles consecuencias, con el
objetivo de aislar y patentar genes que puedan tener una aplicación práctica
(por ejemplo, terapéutica). La industria farmacéutica, por poner un
ejemplo, ha invertido miles de millones de dólares en la búsqueda de estos
"genes terapéuticos”. Así, a finales de 1.998 se habían registrado más de
dos mil patentes genéticas y una veintena de productos terapéuticos.
Igualmente, existe un campo de investigación consistente en la búsqueda de
nuevos microbios que sean capaces de hacer algo que pueda ser
económicamente rentable. Para ello se toman muestras de todo el mundo y
se las intenta cultivar en las condiciones que nos interesen. Si se encuentra
un microorganismo capaz de sobrevivir y de hacer lo que nosotros
queremos, será el elegido para ser sometido a manipulación genética: se
comienza por una selección artificial para luego “mejorar” la especie en
cuestión (por ejemplo, nos interesa encontrar un organismo que sea capaz
de degradar los plásticos viejos de los invernaderos. Para ello habrá que
probar cientos de especies de bacterias y si existe alguna capaz de
metabolizarlo, aunque sea parcialmente, será la especie elegida para que la
biotecnología ponga a punto sus técnicas de manipulación).
9.2. Importancia de los microorganismos en investigación e industria:
productos elaborados por biotecnología.
Los principales campos de aplicación de la biotecnología son:
- Farmacia y sanidad
- Alimentación
- Medio ambiente
- Agricultura
Microorganismos utilizados en Biotecnología Dentro del mundo microscópico que nos rodea, por sus características y por
sus aplicaciones prácticas, básicamente son las bacterias y ciertos hongos
los organismos objeto de utilización, aunque no debemos olvidar a los
virus, como vectores génicos (transporte de genes).
Bacterias y hongos (preferentemente levaduras) comparten una sencillez
estructural (unicelularidad), una cierta facilidad para ser modificados
genéticamente (más que un organismo pluricelular), una alta tasa de
reproducción y unas condiciones de cultivo que hoy día se conocen bien.
Aunque hasta ahora no han sido tratados como microorganismos, deberían
mencionarse ciertas células, las llamadas hibridomas, formadas por fusión
de una célula cancerosa y de un linfocito B de ratón productor de
anticuerpos. El ente logrado es microscópico y ha surgido mediante
técnicas de manipulación con el fin de obtener anticuerpos.
Principales aplicaciones. (Sólo habrá que conocer algunos ejemplos)
Los campos de aplicación de la biotecnología son amplios y cada día
aparecen nuevas posibilidades. No olvidemos que, si bien hay muchos
avances reales, es decir, que hoy día son un hecho y que los organismos
modificados ya están trabajando para los humanos a pleno rendimiento,
también hay otros muchos organismos que actualmente están en periodo de
investigación más o menos avanzada y todavía son una posibilidad, no una
realidad.
Pensemos también que, aunque a la vista de las noticias, la biotecnología y
dentro de ella la ingeniería genética, parecen tecnologías muy sencillas de
llevar a cabo, la realidad es que son muy complejas y los índices de éxito
son proporcionalmente bajos (ni existen bacterias para todo, ni se dejan
manipular así como así).
Farmacia y sanidad
El uso de la biotecnología en este campo ha permitido:
a) Producción de antibióticos
b) Producción de vacunas
c) Producción de hormonas y enzimas
d) Producción de interferones
e) Producción de anticuerpos monoclonales
f) Terapia génica
Producción de antibióticos: Son sustancias producidas por
microorganismos que impiden el crecimiento de otros microorganismos y
que incluso provocan su muerte. El primer antibiótico fue descubierto en el
año 1928 por un médico inglés llamado Alexander Fleming, se trata de la
penicilina, producida por un hongo (Penicilium notatum). Desde entonces
se han descubierto aproximadamente, otros 8000 antibióticos de los cuales
se comercializan 100. Todos son producidos por hongos y por bacterias y
solo son efectivos contra hongos y contra bacterias. Entre los hongos
destacan los géneros Penicillium, que produce la penicilina y
Cefalosporium, que produce las cefalosporinas. Entre las bacterias
productoras de antibióticos destaca el género Streptomyces, que produce
antibióticos como la estreptomicina, la eritromicina o las tetraciclinas.
En este campo la biotecnología se encarga de:
- Descubrimiento de nuevos antibióticos
- Obtención de antibióticos semisintéticos, que se producen en el
laboratorio modificando a los antibióticos originales producidos por
los microorganismos, para dotarlos de nuevas propiedades, entre
ellas, una mejor solubilidad, menor toxicidad y mayor actividad.
- Obtención de nuevas cepas, que produzcan mayores cantidades de
antibióticos, sometiendo a la cepa original a la acción de agentes
mutagénicos, como pueden ser las radiaciones.
Se puede decir que el descubrimiento de los antibióticos ha sido el avance
más importante de la medicina en la historia de la humanidad,
habiendo salvado la vida a millones de personas en menos de un siglo y
habiendo casi erradicado enfermedades mortales, en el “mundo
desarrollado”, como la tuberculosis, la sífilis o la neumonía. También los
antibióticos permiten la supervivencia tras infecciones postraumáticas,
grandes quemaduras y operaciones quirúrgicas.
Producción de vacunas: La vacunación es una técnica preventiva, consiste
en inyectar a una persona sana microorganismos muertos, partes de esos
microorganismos o bien microorganismos vivos pero atenuados; en todos
los casos el sistema inmunológico reconoce a esas sustancias como
extrañas y desencadena una respuesta específica contra ellas que evita que
en el futuro podamos sufrir una enfermedad provocada por esos
microorganismos.
La ingeniería genética permite nuevos enfoques para el diseño y
producción de vacunas:
- Vacunas a base de subunidades del agente patógeno (determinantes
antigénicos). Por ejemplo la actual vacuna frente a la hepatitis B usa
un determinante antigénico del virus, producido en grandes
cantidades por levaduras que han sido modificadas genéticamente.
- Nuevas vacunas atenuadas. Basadas en la manipulación de un agente
patógeno para eliminarle los genes responsables de la virulencia,
mientras se mantiene su capacidad para estimular al sistema
inmunológico. De este modo el microbio manipulado se podría
emplear como vacuna viva segura. Con ello se aprovecha además el
hecho de que los microorganismos completos suelen ser más
efectivos como vacunas. Así se han obtenido cepas estables de la
bacteria causante del cólera, desprovistas del gen responsable de la
síntesis de una potente toxina.
- Vectores bacterianos. La idea es expresar antígenos de bacterias
patógenas en la superficie de bacterias no patógenas.
- Vacunas antivíricas. Se introducen en una bacteria los genes de un
virus que codifican su cápsida. De este modo, la bacteria fabrica
cápsidas vacías, con todo su poder antigénico pero sin riesgos de
infección.
Producción de hormonas y de enzimas: Se utilizan bacterias
genéticamente modificadas a las que se les han introducido genes humanos
con el fin de que fabriquen las proteínas por ellos codificados. Algunos
ejemplos de los que ya nos beneficiamos son la insulina, la hormona del
crecimiento (GH), factores proteicos de coagulación (tratamiento a
hemofílicos) o también enzimas como amilasas, celulasas, renina, etc.
Desde 1982 se comercializa la primera hormona humana obtenida por
biotecnología, se trata de la insulina. Con anterioridad a esta fecha, para
tratar a los diabéticos se utilizaba insulina obtenida de cerdos y de vacas,
que aunque conseguía bajar los niveles de glucosa en sangre, también tenía
efectos secundarios que afectaban el riñón y a la retina de las personas
enfermas.
Producción de interferones: Son sustancias de naturaleza proteica
producidas por nuestras células cuando son infectadas por un virus. Estas
moléculas se unen a receptores específicos situados en células vecinas y
desencadenan en ellas una respuesta que impide la síntesis de proteínas
víricas. Actualmente se conocen 12 interferones que se utilizan en el
tratamiento de algunos tumores, como leucemias y sarcoma de Kaposi,
lucha contra las enfermedades producidas por virus o en el tratamiento de
la esclerosis múltiple.
Producción de anticuerpos monoclonales: Derivan de un solo clon de
linfocitos que produce un tipo concreto de anticuerpo. La técnica
desarrollada en 1975, pasa por fusionar un linfocito B, previamente
activado por un antígeno seleccionado, con una célula tumoral, obteniendo
una célula denominada hibridoma, capaz de producir el anticuerpo de
manera indefinida.
Sabemos que las células tumorales actúan como antígenos y por lo tanto
podrían ser bloqueadas por los anticuerpos correspondientes, que nosotros
hayamos obtenido previamente. Se pueden utilizar solos o en combinación
con quimioterapia o unidos como portadores a sustancias tóxicas para las
células tumorales o con elementos radiactivos, destruyendo a dichas células
o estimulando el sistema inmunológico.
Terapia génica. Esta aplicación de la biotecnología constituye la gran
esperanza de la medicina, permitirá tratar enfermedades de origen genético,
sustituyendo los genes defectuosos por genes normales. Esta técnica se
puede aplicar de tres formas:
Ex vivo. Se extraen células de la persona enferma y, utilizando vectores
adecuados, se sustituyen en ellas los genes defectuosos por los genes
normales, finalmente estas células se transfieren de nuevo a la persona
enferma. Esta técnica se utilizó por primera vez en 1990 para tratar una
inmunodeficiencia congénita.
In situ. Se aplica directamente en el tejido afectado un vector que contiene
los genes normales. Se puede aplicar esta técnica en los casos en los que la
anomalía está muy localizada, como ocurre con la fibrosis quística que
afecta a los pulmones.
In vivo. Consistiría en inyectar por vía sanguínea un vector con los genes
normales, que sería transportado por la sangre hasta células diana
específicas, como si de un fármaco se tratara.
Alimentación
Antes de que nuestra especie conociera la existencia de los
microorganismos ya los estaba utilizando para producir alimentos. Así
sumerios y babilonios ya elaboraban cerveza, los egipcios elaboraban pan y
así lo reflejaron en los relieves y pinturas de sus tumbas o en el génesis, ya
aparece citada la elaboración del vino.
Los microorganismos pueden ser utilizados directamente como alimento,
así levaduras y cianobacterias se utilizan en la elaboración de piensos para
el ganado y la levadura de cerveza se utiliza como complemento en nuestra
alimentación por su riqueza en proteínas y vitaminas del grupo B.
El vinagre se obtiene por oxidación incompleta del sustrato, en este caso el
alcohol etílico, utilizando una bacteria (Acetobacter aceti). El vinagre se
utiliza para aliñar guisos (escabeche) y ensaladas y sobre todo en la
elaboración de encurtidos. En la fabricación de los encurtidos también
intervienen algunas especies de bacterias que al desprender ácido láctico
evitan el ataque subsiguiente de otros microorganismos y confieren un
sabor particular a los productos. No obstante, en muchos de estos
preparados (aceitunas, pepinillos, berenjenas, etc.) se añade bien sal o bien
vinagre como conservante.
El ácido cítrico que se utiliza como conservante se obtiene por
fermentación incompleta de melazas de remolacha, jarabe de caña de
azúcar o almidón de patata utilizando un hongo (Aspergilus niger).
Otro campo diferente a los anteriores pero relacionado con la alimentación
es el de la producción de aminoácidos, vitaminas, enzimas, edulcorantes o
conservantes de alimentos llevada a cabo por microorganismos. Con la
ventaja añadida de que en muchos casos a los microbios, bien bacterias o
bien hongos (levaduras), se les alimenta con residuos orgánicos de bajo
coste, obteniéndose productos de interés en alimentación humana o animal.
Así se obtienen algunas vitaminas de difícil síntesis como la B12, aditivos
alimenticios como la lisina, potenciador del sabor como el ácido glutámico
o los aminoácidos fenilalanina y el ácido aspártico que se utilizan como
edulcorantes.
Obtención de productos por fermentación alcohólica, utilizando levaduras,
destaca el género Sacharomyces, este microorganismo necesita como
nutriente básico sacarosa o maltosa (disacáridos), permitiendo la obtención
de productos como vino, cerveza, sidra, pan, tequila, ron, wiski, sake, etc.
Obtención de productos por fermentación láctica. Intervienen distintos
tipos de bacterias entre las que destacan los géneros Lactobacillus y
Estreptococcus, permiten la obtención de productos como el yogur, queso,
mantequilla, cuajada o el kefir. El yogur es simplemente leche cuya
lactosa es transformada en ácido láctico por las bacterias antes
mencionadas (este compuesto es el que le da el sabor particular y el que
desnaturaliza las proteínas confiriéndole el aspecto semilíquido). En el caso
del queso, se necesitan dos etapas, en la primera se añaden a la leche las
bacterias y una enzima, la renina, que tradicionalmente se obtenía de cuarto
estómago de los rumiantes, en este proceso precipitan las proteínas de la
leche y se forma lo que se denomina la cuajada. Al final de la etapa se
separa el líquido o suero de la cuajada que es prensada y envuelta en una
tela seca.
En la segunda etapa la cuajada sufre un proceso de maduración en el que se
utilizan distintos microorganismos, bacterias y hongos, y en la que se
produce la hidrólisis de las proteínas hasta aminoácidos y de las grasas
hasta glicerina y ácidos grasos. El grado de hidrólisis dependerá del tipo de
queso. Existen cientos y aun miles de variedades de quesos en el mundo,
sus particulares sabores y aromas se deben a diferentes especies y/o cepas
de estos microorganismos, por ejemplo en los quesos azules, como el
cabrales o el roquefort, se añaden a la cuajada esporas del hongo
Penicillium roqueforti, que crecen en ella proporcionando a estos quesos,
su aspecto y su sabor característico.
Medio ambiente
La aplicación de los microorganismos en este campo recibe el nombre de
biorremediación. Se utilizan para eliminar sustancias que aparecen en
nuestro entorno como consecuencia de la actividad humana y que están
repercutiendo en nuestra salud y en la de otros seres vivos.
Se utilizan los microorganismos en los siguientes campos:
Corrección de problemas ambientales: se están haciendo grandes
avances en el campo de la descontaminación mediante microorganismos, si
bien muchos de ellos todavía se encuentran en fase de desarrollo. Por
ejemplo, se cuenta con especies de bacterias que, en laboratorio, acumulan
metales pesados en su interior y que algún día servirán para descontaminar
balsas mineras como la de Aznalcóllar en Sevilla.
Degradación de productos xenobióticos: Son sustancias químicas que se
producen industrialmente y que contaminan gravemente los ecosistemas, se
trata de los plaguicidas y de los plásticos.
Los plaguicidas son los insecticidas, herbicidas y fungicidas, se trata de
sustancias muy tóxicas y algunas de ellas contienen elementos
cancerígenos. Se está experimentando con microorganismos (bacterias) que
o bien los degradan totalmente o bien los modifican eliminando su carácter
tóxico.
En el caso de los plásticos y otros derivados como el poliuretano y el
poliestireno, se está experimentado con plásticos fotodegradables, que son
alterados por la radiación ultravioleta y que los productos resultantes son
degradados por microorganismos o también con plásticos que se elaboran
a partir de sustancias producidas por microorganismos y que son
biodegradables.
Degradación del petróleo: Existen varios géneros de bacterias, levaduras
y algas, modificadas genéticamente o no, que son capaces de oxidar los
hidrocarburos del petróleo y que podrían ser una solución limpia y elegante
para resolver los problemas de los vertidos tras el naufragio de petroleros.
Estos microorganismos fueron utilizados por primera vez en Alaska, en el
año 1989, para luchar contra la marea negra provocada por el petrolero
Exxon Valdez.
Depuración de aguas residuales: Son aguas procedentes del alcantarillado
doméstico y de actividades agropecuarias e industriales que son tratadas en
las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Los microbios
empleados en la depuración de las aguas residuales sí han resultado de una
utilidad incuestionable. Gracias a esos microorganismos, los tratamientos
químicos para recuperar un agua en muy mal estado son casi innecesarios.
Contamos con bacterias y protozoos aerobios mineralizadores de materia
orgánica y bacterias anaerobias (metanógenas) que ultiman el proceso. Hoy
día, las estaciones depuradoras de aguas de las ciudades y grandes pueblos
funcionan con tratamientos biológicos (estas bacterias por un lado eliminan
materia orgánica y por otro producen un combustible, (una mezcla de
metano y CO2 que se conoce como biogas).
La depuración de aguas residuales sigue los siguientes pasos:
- Pretratamiento. Son sometidas a un proceso de desbaste que
mediante un sistema de rejas y de tamices cada vez más finos,
elimina sólidos voluminosos como plásticos, trapos, palos, etc.
También son sometidas a un proceso de desarenado y de
desengrasado para preservar el buen estado de las instalaciones.
- Tratamiento primario. Se emplean métodos físico-químicos para
eliminar las partículas sólidas que han escapado al tratamiento
anterior y para ajustar el pH a los valores adecuados para la actividad
de los microorganismos. La eliminación de las partículas sólidas se
consigue depositando estas aguas en grandes tanques, denominados
decantadores, donde las partículas precipitan por gravedad.
- Tratamiento secundario. La corriente de agua que resulta de la etapa
anterior sufre un nuevo tratamiento en el que se emplean los
microorganismos para descomponer la materia orgánica, se puede
realizar artificialmente por el sistema de lechos bacterianos o el de
los fangos activos, o en el caso de pequeñas instalaciones, se puede
realizar naturalmente por el sistema del lagunaje o por el de los
filtros verdes.
- Tratamiento terciario. Del tratamiento anterior resulta una corriente
de agua que después de ser desinfectada puede ser vertida a un río o
bien, puede sufrir un nuevo tratamiento para eliminar trazas de
materia orgánica y compuestos de nitrógeno y de fósforo, para evitar
problemas de eutrofización.
Los fangos que proceden de los distintos tratamientos, después de ser
deshidratados y desecados, se mezclan con serrín y restos vegetales para
obtener un abono denominado compost que se utiliza para mejorar las
características del suelo. TRATAMIENTOS AGUAS RESIDUALES
LAGUNAJE
FILTROS VERDES
FANGOS ACTIVOS
LECHOS BACTERIANOS
Agricultura La biotecnología en la agricultura está en estos momentos centrada en la
producción de plantas transgénicas. Estas plantas se obtienen a partir de
una célula que ha integrado en su genoma material genético de otro
organismo.
Utilizando las técnicas propias de la ingeniería genética se ha conseguido
en este campo:
- Resistencia a patógenos. Uno de los grandes éxitos, reales, ha sido la
consecución de un maíz que contiene un gen bacteriano,
concretamente perteneciente al Bacillus thurigensis. El gen en
cuestión permite a la planta sintetizar una potente toxina (Bt) que es
un insecticida natural. Por otra parte, esta bacteria se cultiva para
producir dicha toxina que luego se emplea en el fumigado de cultivos
contra las plagas de insectos.
- Mejora de la calidad de los productos agrícolas. Por ejemplo tomates
que maduran lentamente y soportan periodos largos de
almacenamiento.
- Productos agrícolas con mejores características para nuestra especie
(ricos en ácidos grasos y aminoácidos esenciales, café con un menor
contenido en cafeína, etc.
- Resistencia a factores que provocan estrés en las plantas, como la
sequía, salinidad o la temperatura.
- Mejora de procesos básicos en las plantas como son la fotosíntesis o
la fijación del nitrógeno.
- Obtención de nuevas variedades en floricultura.
- Producción de productos de interés comercial como medicamentos,
pigmentos, esencias, etc.
Otro campo de investigación en agricultura es la selección y mejora de
bacterias relacionadas con el reciclaje de la materia orgánica en los
ecosistemas (descomponedoras y transformadoras) con el fin de optimizar
esos procesos y conseguir reducir el abonado de los campos. Se está
intentando que la bacteria Rhizobium, simbionte de las raíces de las plantas
leguminosas y fijadora de nitrógeno atmosférico, pueda ser incluida en
otros vegetales y así mismo se están investigando los genes responsables
del proceso para tratar de introducirlos directamente en distintas especies
de vegetales, a las que ya no habría que aportar nitratos.
