Centro de Estudios Tecnológicos del Mar en Ensenada, B.C.

Curso: Análisis Biológicos del Agua.

Tema 1. Microbiología

Prof. José Luis Peña Manjarrez

Grupo: 3º “A”, Laboratorista Ambiental.

Agosto de 2011

Introducción histórica a la Microbiología

Concepto de Microbiología.

Historia (I). Desde la antigüedad hasta los primeros microscopistas

Definición de microbiología:

•Ciencia que estudia los seres vivos que no se pueden ver a simple vista

•Definición implica que su objeto de estudio está determinado por la metodología:

-Técnicas de cultivo puro en laboratorio-Sondas moleculares

- Microscopios

Fases en la historia de la Microbiología:

1. Periodo especulativo (desde la antigüedad hasta primeros microscopios)

2. Primeros microscopistas (1675 -mediados del s. XIX)

3. Cultivo de microorganismos (hasta finales del siglo XIX)

4. Hasta nuestros días: multitud de enfoques en el estudio microbiano. Ciencias “emancipadas” (Virología, Inmunología)

Fase especulativa• La humanidad conoce las actividades microbianas sin saber nada de los microorganismos: • Enfermedades infecciosas

* “miasmas” , “sífilis”* Lucrecio (s. I A. C.): “semillas de enfermedad”

“De rerum natura”* Frascatorius (1546): “gérmenes vivos”

“De contagione et contagionis”

• Alimentos y bebidas fermentados (queso, leches fermentadas, vino, cerveza, etc.)

Primeros microscopistas

•Antonij van Leeuwenhoek: *Microscopio simple *Descubrimiento de los microorganismos (“animálculos” en gota de estanque, 1675)

*Describe bacterias (1683) *Describe protozoos

•Robert Hooke: *Microscopio compuesto *Describe hongos filamentosos (1667)

Leeuwenhoek y su microscopio simple

Microscopio simple de Leeuwenhoek

Primeros dibujos de bacterias (Leeuwenhoek, 1683)

La línea punteada entre C y D indica desplazamiento

Microscopio compuesto de Robert Hooke

Microscopios del siglo XVIII

Primer microscopio electrónico en

España - 1949

(Instituto de Óptica)

(Observador de anguilas)

Construido de metal y utilizado por van Leeuwenhoek en el estudio de

circulación de la sangre en la anguila

Microscopio compuesto monocular

Carl Zeiss.

Este microscopio es el precursor de

todos los microscopios compuestos

modernos

Microscopio monocular

Carl Zeiss en los

laboratorios de Jena.

Este microscopio tiene un

diafragma y objetivo tipo

Köhler [modelo ~1930]

Microscopio binocular

moderno (modelo 2002)

Carl Zeiss.

Conectado a una computadora para

digitalizar las imagenes.

Introducción histórica a la Microbiología

Historia (II). Las grandes controversias del siglo XIX y su

resolución

El debate sobre la generación espontánea

•Ideas asumidas desde Aristóteles •Redi (1668): experimentos que descartan la generación espontánea de animales *“Omne vivo ex ovo” * Pero aún no se acepta “Omne vivo ex vivo”

•La disputa entre Spallanzani y Needham*Los experimentos se interpretan erróneamente

(Needham) como que al calentar los frascos el aire pierde su “fuerza vital” (vitalismo)

Pasteur termina la polémica sobre lageneración espontánea

•Experimentos con frascos abiertos al aire dotados de largos cuellos curvados (“cuellos de cisne”).

*Una vez llevados a ebullición, no aparecen microorganismos si el frasco no se mueve

*Aparecen microorganismos si el líquido alcanza el cuello curvo

•“Trampas” para capturar microorganismos

El calor forza al aire para que

salga por el extremo abierto

a) Se vierte un

líquido no esteril

dentro del matráz.

Se coloca un tubo en

forma de cuello de

cisne y se calienta con

la flama directa

Se esteriliza el

líquido aplicando

calor

El polvo y los

microorganismos son

atapados en la curva

del tubo

Extremo

abierto

b) El líquido se enfría

lentamente

El líquido permanece

esteril por muchos

años

mucho

tiempo

c) El matráz se inclina de forma

que los microorganismos y el

polvo tengan contaco con el

líquido estéril

corto

tiempo

Los microorganísmos

crecen en el líquido en

muy corto tiempo

Louis Pasteur(1822-1895)

El debate sobre los fermentos• Dos teorías sobre el origen de las

fermentaciones: química y biológica

• Pasteur (1857) es llamado a resolver un problema de las destilerías de Lille

*1857: bacterias que producen ferm. láctica *1860: levaduras producen ferm. alcohólica *Descubre la fermentación butírica y la vida en

ausencia de aire (anaerobiosis)

• Reconciliación de las dos teorías: Buchner aísla un preparado libre de células (zimasa) de levadura

Avances técnicos: cultivo puro

• Dos teorías sobre forma de microorganismos: pleomorfismo y monomorfismo

• Su resolución dependió de cultivos puros (laboratorio de Robert Koch)

* Medios sólidos a base de rodajas de patata * Medios sólidos a base de gelatina * Medios sólidos a base de agar-agar

• Petri (en el laboratorio de Koch) inventa la placa que lleva su nombre.

• Medios de enriquecimiento y medios diferenciales (Beijerink, Winogradsky)

Avances técnicos: microscopios y técnicas de tinción

• Koch colabora con la industria alemana del vidrio (Schott) y pide ayuda a expertos en óptica (Abbé, Zeiss)

* Lentes acromáticas mejoradas * Iluminación inferior con condensador * Objetivo de inmersión (1878)

• Koch colabora con industria química BASF: * Tinciones para observar bacterias (azul de metileno,

fuchsina, violeta de genciana, etc), 1877 y siguientes

• Ziehl y Neelsen: tinción diferencial AAR (1883)

• Hans C. Gram: tinción diferencial Gram (1884

Avances en microscopios debidos a Koch y sus colaboradores

Iluminación inferior y condensador Sección del objetivo de inmersión

Papel de los microorganismos en las enfermedades infecciosas

• Pasteur es llamado a Provenza para resolver una enfermedad del gusano de seda (pebrina)

• En 1869 identifica al protozoo Nosemabombycis como el responsable

• Davaine (1863-1868): la sangre de ganado afectado por carbunco contiene grandes cantidades de microorganismos

enfermedad del

gusano de seda (mal

di segno), que consiste

en una alergia tipo

asma después de

exponerse en sitios

como invernaderos u

otras áreas con alta

humedad y gran

cantidad de plantas),

se debía a un hongo

(Botrytis bassiana).

Papel de los microorganismos en las enfermedades infecciosas

• Koch (1876): con su técnica de cultivo puro aísla y propaga experimentalmente por primera vez una bacteria patógena (la responsable del carbunco o ántrax).

• Primeras microfotografías de Bacillus anthtracisteñido con azul de metileno

• Confirma que esta bacteria presenta una fase resistente (endosporas)

• La enfermedad se puede reproducir experimentalmente al reinocular bacilos a animales de laboratorio

Postulados de Koch (1882)

• El agente patógeno debe estar presente en los individuos enfermos

• El microorganismo debe poder aislarse del huésped enfermo en cultivo puro

• El microorganismo crecido en cultivo puro, al inocularse en animales sanos, induce en ellos la enfermedad

• De estos animales experimentales inoculados y ya enfermos, se puede volver a aislar el microorganismo

La escuela de Koch aísla numerosos agentes patógenos

* Cólera (1883) * Difteria (1884) * Tétanos (1885) * Neumonía (1886) * Meningitis (1887) * Peste (1894) * Sífilis (1905)

bacilo del ántrax (Bacillus anthracis)

cólera asiático (Koch, 1883)

difteria (Loeffler, 1884)

tétanos (Nicolaier, 1885 y Kitasato, 1889). La toxina tetánica, producida por la bacteria Clostridium tetanii

la neumonía (Fraenkel, 1886), causada por el neumococo

la meningitis (Weichselbaun, 1887)

(Yersin, 18 94), La “Gran Mortandad” (o “Muerte Negra”). El agente causante es un bacilo llamado Pasturella Pestis.

sífilis (Schaudinn y Hoffman, 1905), es una enfermedad de transmisión sexual ocasionada por la bacteria Treponema pallidum

Malaria (Schaudinn, 1901-1903)

Enfermedad del sueño (Koch, 1906), se encuentra solamente en partes de África, es producida por dos protozoarios, Trypanosoma brucei gambiensey el Trypanosoma bruceirhodesiense

La enfermedad de Chagas es una de las principales enfermedades parasitarias del mundo que afecta a toda América

peste vacuna africana (debida al inglés Bruce, 1895-1897),

Robert Koch(1843 – 1910)

Asepsia, quimioterapia

• La introducción de anestesia (mediados siglo XIX) trae infecciones quirúrgicas

• Lister introduce el uso del fenol y de sales de mercurio (asepsia en quirófano)

• Paul Ehrlich: idea de las “balas mágicas” * Colabora con industria química y descubre

el salvarsán, contra la sífilis * “Quimioterapia”

• Domagk (1935): rojo de prontosilo contra neumococos * Época de las sulfamidas

Antibioterapia* Fleming (1929): extracto crudo de penicilina (del

hongo Penicillium notatum) * Chain y Florey (1940): purificación penicilina.

Uso en 2ª Guerra Mundial * Descubrimiento estreptomicina (Waksman,

1944) de Streptomyces griseus* Tras la Guerra, se descubren numerosos

antibióticos, producidos sobre todo por Actinomicetos

Tema 1(c): Introducción histórica a la Microbiología

Historia (III). Auge de la Microbiología general.

Objeto de estudio. Procariotas y eucariotas

Objeto material de la Microbiología

•Abarca todos los organismos no visibles a simple Vista.

•Gran heterogeneidad de los microorganismos * Entidades subcelulares (ej: virus

Virología) * Procariotas ( Bacteriología) * Protozoos ( Protozoología) * Parte de los hongos ( Micología) * Parte de las algas ( Ficología

Definición de microorganismos

• Seres vivos de tamaño microscópico... • Organización biológica sencilla

* Acelular (virus) * Celular pero sin diferenciación de

tejidos - Unicelulares - Cenocíticos - Coloniales - Pluricelulares

Objeto formal de la Microbiología

• Básico: * Estructura y función * Fisiología * Genética * Taxonomía * Ecología, etc

• Aplicado (relación con intereses humanos) * Todo lo relacionado con micr. patógenos * Efectos beneficiosos: biotecnología

microbiana • Técnicas de estudio, manejo y control de los microorganismos

Los microorganismos dentro de la clasificación de los seres vivos

• A finales del siglo XVIII, los microorganismos se “repartieron” entre los dos reinos conocidos:

* al reino Plantae: algas y hongos * al reino Animalia: grupo Infusoria

(Lamarck) • Pero esta clasificación presentaba muchas

paradojas • Haeckel: árbol filogenético “darwiniano”

(1866). Propone un tercer reino: Protista: todos los seres vivos sencillos: protozoos, algas, hongos y moneras (=bacterias)

Los microorganismos dentro de la clasificación de los seres vivos

• Mitad del s. XX: la organización celular de las bacterias y “algas verdeazuladas” es muy diferente al del resto de seres vivos

• 8ª edición del Manual Bergey´s (1974) * Reino Prokaryotae, dividido en

- Cyanobacteria (antiguas cianofíceas)- Bacteria

* Reino Eukaryotae• En los años 70 se descubre que los procariotas

constan de dos grupos muy distintos: * Eubacterias (hoy Bacteria) * Arqueobacterias (hoy Archaea)

Organismos microscópicos y macroscópicos

•Hay microorganismos procarióticos y eucarióticos, pero no hay “macroorganismos” procarióticos

Los tres grandes dominios de la vida

La gran profundidad evolutiva de los microorganismos

Características generales de los procariotas

Composición química básica

•>95% de macromoléculas

•La mitad de las macromoléculas son proteínas

•Proporción de ARN superior a eucariotas

•En eubacterias, macromoléculas exclusivas que no existen en eucariotas:

* Peptidoglucano

* Lipopolisacárido (en Gram-negativas)

Tamaño y forma. Agrupaciones bacterianas

Tamaño de los procariotas

• Por lo general, más pequeño que el de las células eucarióticas

• Pero existen bacterias * Gigantes (>0.5 mm) * Enanas (<0.1 micra)

• Un tamaño “típico”: * 0.5 x 3 micras

Tamaño pequeño: consecuencias metodológicas

•Hay que recurrir a microscopios y normalmente a tinciones

•La inmensa mayoría de los estudios se realiza con poblaciones enormes, de las que se sacan “promedios”

• Es muy raro estudiar un individuo cada vez

Tamaño pequeño: propiedades físicas

• Movimiento browniano • Capacidad de dispersar la luz (efecto

Tyndall) * Suspensiones acuosas son turbias

• Aumentan la viscosidad del medio

• Por tener carga eléctrica * Aglutinan y precipitan a altas [sales] * Migran en campos eléctricos

Tamaño pequeño: consecuencias biológicas

•La relación S/V es muy alta * Mayor contacto directo con el medio

(reciben de modo inmediato las influencias ambientales)

* Gran tasa de entrada de nutrientes - Altas tasas de crecimiento

* Gran tasa de salida de productos de desecho

Formas típicas

* Cocos * Bacilos * Espirilos * Vibrios* Otras formas:

- Filamentos - Anillos casi cerrados - Con prolongaciones (prostecas)

Relaciones entre tamaño y forma

• Tiempo breve de difusión citoplásmica

• El predominio de las fuerzas viscosas del medio hace que cada individuo lleve consigo un “entorno local” (una fase fluida que reproduce, ampliada, la forma bact.)

• Relación con propiedades hidrodinámicas

• Bacterias alargadas son mejores en movilidad

•Las formas con prostecas, mejores en flotación

Agrupaciones bacterianas

• Un solo plano de división * De dos células:

- diplococos - diplobacilos

* Cadenetas de varias células - estreptococos, - estreptobacilos

• Dos o más planos de división (en cocos) * Dos planos perpendiculares: tétradas * Tres planos ortogonales: sarcinas

(paquetes cúbicos) * Muchos planos aleatorios: estafilococos

Multicelularidad en bacterias

• En mixobacterias: cuerpos fructificantes

• En ciertas Cianobacterias * Filamentos de células vegetativas

(tricomas) * Algunas poseen células especializadas:

- Heteroquistes- Acinetos

• Filamentos cenocíticos ramificados de Actinomicetos

• Cuerpos circulares de Thermus

Un ejemplo de multicelularidad en bacterias

Cuerpos fructificantes de Myxococcus