TEMA 10: MICROORGANISMOS Y BIOTECNOLOGIA

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1 TEMA 10: MICROORGANISMOS Y BIOTECNOLOGIA 1. MICROORGANISMOS 1.1. Concepto de microorganismo Criterios de clasificación de los microorganismos Virus Composición, estructura y actividad biológica Ciclos de vida de los virus: lítico y lisogénico Bacterias Características estructurales Características funcionales: tipos de nutrición y reproducción Microorganismos eucarióticos Principales características de algas, hongos y protozoos Relaciones entre los microorganismos y la especie humana Beneficiosas Perjudiciales: enfermedades producidas en la especie humana, animales y plantas. 2. Biotecnología: concepto y aplicaciones.

2 ORIENTACIONES 1. Conocer el concepto de microorganismo. Analizar la diversidad de este grupo biológico. 2. Establecer criterios sencillos que permitan clasificar a los microorganismos diferenciando los distintos grupos, por ejemplo, presencia o no de estructura celular y tipo de ésta, según que sea procariótica o eucariótica. 3. Destacar la composición y estructura de los virus, aludiendo a que presentan un solo tipo de ácido nucleico. 4. Describir los ciclos líticos y lisogénicos de los virus y establecer las principales diferencias que existen entre ambos. 5. Plantear la controversia de la naturaleza viva o no viva de los virus. 6. Describir los principales componentes de la célula procariota. 7. Destacar que las bacterias se reproducen por bipartición. 8. Realizar una clasificación de las bacterias en función de la fuente de carbono, de energía y de protones y electrones, destacando su diversidad metabólica. 9. conocer las principales características estructurales y de nutrición de algas, hongos y protozoos. 10. Conocer algunas relaciones que pueden establecerse entre los microorganismos y la especie humana, distinguiendo entre inocuas, beneficiosas y perjudiciales e ilustrarlas con algún ejemplo relevante. 11. Reconocer la importancia de los microorganismos en investigación y en numerosos procesos industriales, por ejemplo, pan, derivados lácteos, vino, cerveza, etc. 12. Definir biotecnología. 13. Conocer algunos ejemplos de aplicaciones biotecnológicas, por ejemplo, producción de insulina, antibióticos, hormona del crecimiento.

3 INTRODUCCIÓN La Microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos, todos aquellos seres vivos y entidades biologicas (virus) que son visibles únicamente con la ayuda del microscopio. Dichos microorganismos, a pesar de su pequeño tamaño, son capaces de realizar todas las funciones vitales que caracterizan a los seres vivos. Los microorganismos componen un grupo muy heterogéneo, tanto que se encuentran formando parte de tres de los cinco reinos en los que tradicionalmente se siguen clasificando los seres vivos. Hay microorganismos procariotas (bacterias) o eucariotas (protistas y hongos). Existen microorganismos unicelulares aunque también los hay que forman asociaciones sencillas. Todos presentan una amplia gama de capacidades metabólicas, lo que les ha permitido colonizar una gran variedad de ambientes. Por otra parte, los microorganismos desempeñan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza y su utilidad práctica en el ámbito de la biotecnología es innegable, como son las fermentaciones, eliminación de residuos, ingeniería genética etc. Durante mucho tiempo la ciencia creyó en la denominada generación espontánea. El mayor opositor a dicha teoría fue el gran científico francés Louis Pasteur, quien no podía concebir que una célula viva, tan compleja, pudiera generarse espontáneamente a partir de sustancias inanimadas. Pasteur demostró que la generación espontánea no existe, y es considerado, junto con Robert Koch, el padre de la Microbiología CONCEPTO DE MICROORGANISMO Son seres vivos y entidades biologicas (virus) de tamaño microscópico y de gran sencillez en cuanto a estructura y organización (unicelulares, si bien pueden formar asociaciones de tipo colonial) GRUPOS PRINCIPALES Y CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN. Los microorganismos constituyen un grupo muy heterogéneo, que no tiene categoría taxonómica, lo único que tienen en común todos ellos es su pequeño tamaño. De hecho encontramos organismos pertenecientes a varios reinos. Los microorganismos se hallan en tres de los cinco reinos: Móneras, donde se incluyen las bacterias y las cianobacterias. Protoctistas, que agrupa a las algas (unicelulares y pluricelulares) y a los protozoos. Hongos, donde se sitúan las levaduras y los mohos. Los virus, viroides y priones quedarían fuera de esta clasificación, al ser acelulares.

4 Virus,viroides, priones Bacterias Algas Protozoos Hongos Reino Móneras Protoctista Protoctista Fungi Tamaño medio 0 1 mm 10 mm > 250 mm > 250 mm > 250 mm Nº de células Unicelulares Uni. y pluricelulares Unicelulares Uni. y pluricelulares Tipo de organización Acelular Procariota Eucariota Eucariota Eucariota nutrición Parásitos obligados Autótrofa y heterótrofa Autótrofa Heterótrofa Heterótrofa Existencia de fotosíntesis Sí Sí No No Tipo de división Bipartición Mitosis Mitosis Mitosis

5 Virus. Los virus son formas acelulares microscópicas constituidas básicamente por un ácido nucleico (ADN o ARN) rodeado de una estructura proteica denominada cápsida Composición y estructura. Su nivel de organización se encuentra en la frontera entre lo vivo y lo inerte: carecen de metabolismo propio, no se relacionan y para reproducirse utilizan la maquinaria metabólica de la célula a la que parasitan. Su simplicidad estructural y funcional los convierte en parásitos obligados, tanto de bacterias (bacteriófagos o fagos), como de células animales y vegetales. Su composición básica consiste en: - Acido nucleico: Es el componente esencial de los virus. Puede ser ADN monocatenario, ADN bicatenario (fago T4), ARN bicatenario (reovirus) o ARN mocatenario (retrovirus, como los virus de la gripe y del SIDA). Los virus que contienen ARN simple, es decir, los retrovirus, además de los componentes normales, poseen una enzima llamada transcriptasa inversa, que les permite transcribir su ARN en un ADN dentro de la célula infectada. - Cápsida: Es la estructura proteica que rodea al ácido nucleico, compuesta por la unión de varias subunidades proteicas denominadas capsómeros. Encontramos tres tipos de cápsidas: icosaédrica (de aspecto globoso), helicoidal (aspecto alargado) y compleja (que resulta de combinar las dos estructuras anteriores). Los virus con cápsida compleja son bacteriófagos (parasitan a bacterias). Poseen una cabeza (región icosaédrica donde se aloja el ácido nucleico) y una cola (estructura helicoidal). Algunos virus poseen cola envainada, una placa basal y, además, espículas y fibras que le ayudan a unirse a la célula que van a infectar. - Envoltura membranosa externa: En algunos casos la cápsida está envuelta por una membrana. Esta membrana está constituida por una bicapa lipídica que procede de la célula hospedadora y por unas proteínas insertadas en la bicapa codificadas por el genoma vírico. Algunas de estas glucoproteínas sobresalen de la envoltura y forman estructuras conocidas como espículas. La envoltura vírica está implicada en el reconocimiento entre la partícula vírica y su célula hospedadora.

6 Bacteriófago o Fago T4 virus con envoltura VIH Mosaico del tabaco Ciclos viricos: ciclo lítico y lisogénico. La única actividad biológica que realizan los virus es la reproducción. Para ello necesitan introducirse en una célula y utilizar su maquinaria enzimática, que les permitirá replicar su material genético y sintetizar sus propias proteínas. Cuando un virus por azar se pone en contacto con una célula que presente receptores específicos para él, se fija a su superficie e introduce su ácido nucleico dentro de ésta, pudiéndose dar dos casos: ciclo lítico o ciclo lisogénico. En el ciclo lítico (virus bacteriofago:son virus que infectan exclusivamente a las bacterias ): Si el virus es ADN, éste se transcribe y traduce originando proteínas de la cápsida, también se replica dando lugar a muchas copias de su ADN y al final todas las piezas se ensamblan originándose muchos virus que salen de la célula. Si el virus es ARN previo a todos los pasos anteriores mediante una enzima vírica la transcriptasa inversa pasa el ARN a ADN. En este ciclo se pueden considerar una serie de fases o etapas: a.- Fijación o adsorción. Existe una elevada especificidad entre el virus y la célula hospedadora, de forma que hay unos receptores en la superficie de la célula (glucoproteínas, glucolípidos.) que actúan como agentes de recepción a los que se adhiere el virión. Si el receptor es modificado por una mutación o medios fisiológicos, la célula se puede hacer resistente a la infección, ya que el virus no puede fijarse a la célula. b.- Penetración. Depende del tipo de célula, si es una bacteria, el virus se adhiere a la pared y mediante enzimas lisozimas, se origina un orificio entrando el ácido nucleico del virus (en este caso se denomina al virus bacteriófago), si la célula es animal la entrada es por fagocitosis o pinocitosis, y si es una célula vegetal se realiza por cortes en la superficie, por insectos fitófagos, por conexiones intercelulares o por el sistema circulatorio de la savia.

7 c.- Fase de eclipse también denominada de multiplicación. Durante este tiempo no se observan virus en el interior de la célula infectada. Se replica el ADN vírico, se transcribe y se traduce con las enzimas y el material de la célula hospedadora produciéndose las proteínas de la cápsida. d.- Ensamblaje. Consiste en la unión de las moléculas de la cápsida que rodean a una molécula del ácido nucleico vírico formándose muchos virus. e.- Liberación. Es la fase final, los nuevos virus formados salen al exterior debido a la acción de una enzima, la endolisina, que induce la lisis de la bacteria, y se liberan los fagos. Esos virus ya son capaces de infectar a otra bacteria.

8 En el ciclo lisogénico (virus profago: virus atenuado que no destruye la celula hospedadora ) El ADN del virus se inserta en el genoma de la célula huésped y no se produce proliferación del virus, quedando en forma de vida latente, a este virus se denomina provirus o profago y a las células que lo contienen células lisogénicas. Ensambla su ADN con el ADN bacteriano o liberándolo en el citoplasma celular a modo de plásmido; la bacteria sigue con su actividad casi normal. Las fases de fijación, penetración e integración del ADN vírico en el bacteriano son semejantes al ciclo lítico. El ADN vírico puede permanecer en estado latente durante varias generaciones de bacterias, sin que se produzca la formación de nuevos virus. El estado de latencia puede ser interrumpido por algún agente externo, como algún tipo de radiación ionizante, en cuyo caso el profago se transformará en virus activo y se producirá un ciclo lítico que llevará a la destrucción de la bacteria. A este proceso se denomina inducción. Los profagos pueden originar en la célula huésped una serie de trastornos como: inducir mutaciones, en células animales pueden originar transformaciones cancerosas, en bacterias pueden introducir genes de la bacteria de procedencia y dar lugar a la transducción apareciendo nuevos caracteres como la resistencia a los antibióticos.

9 Ciclo vital de un retrovirus, como, por ejemplo el VIH causante del SIDA. 1.- Fase de fijación o adsorción: Las espículas de la envoltura externa se ponen en contacto con los receptores glucoproteicos de la membrana de la célula hospedadora (linfocitos T auxiliares) e inducen a la célula a fagocitar al virus, que pasa al interior de un fagosoma (vesícula endocítica). 2.- Fase de penetración: Una vez en el interior del endosoma, la envoltura del virus se fusiona con la vesícula endocítica, y arroja el virus al citoplasma del linfocito. Después la cápsida se rompe y queda en libertad la hebra de ARN y la transcriptasa inversa que transporta. 3,4,5 y 6.- Fase de eclipse: En ella no se aprecian virus en el interior de la célula, pero el metabolismo celular es dirigido por el ARN vírico. Inmediatamente después se transcribe el ARN, gracias a la transcriptasa inversa, da lugar a una hebra de ADN, el cual se replica para formar una doble hélice y se inserta en el cromosoma celular donde se comporta como un gen más: se transcribe y se traduce y origina nuevas copias de ARN vírico, proteínas de la cápsida y de la envoltura y enzimas transcriptasas inversas. El ADN celular no se destruye. 7.- Fase de ensamblaje: Se unen todos los elementos del virus sintetizado en el interior de la célula y se forman nuevos virus completos; estos se desplazan hacia la periferia celular. 8.- Fase de liberación: Los virus abandonan la célula mediante un proceso de gemación que les permite adquirir de nuevo su envoltura membranosa. No hay lisis de la célula

10 Bacterias (procariotas) Características estructurales. Son un grupo abundante y heterogéneo de microorganismos unicelulares procariotas, adaptados a vivir en cualquier ambiente, terrestre o acuático. Según su forma se clasifican en: cocos (esféricos), bacilos (cilíndricos), espirilos (espirales) y vibrios (forma de coma).

11 Cocos. Son bacterias esféricas que pueden presentarse aisladas aunque suelen presentarse asociadas de dos en dos, diplococos, en cadenas lineales, estreptococos, o en racimos, estafilococos o sarcinas. Dentro de su organización procariota las singularidades estructurales más significativas de las bacterias son: Cápsula bacteriana (puede faltar). El grosor oscila entre 100 y 400 Å. Tiene un aspecto viscoso y está compuesta de gran cantidad de polisacáridos diferentes (el ácido urónico, ácido glucurónico, N-acetil-glucosamina) y otras moleculas no glucídicas como el D-glutámico. Puede desempeñar funciones relacionadas con la resistencia a la desecación, resistencia al ataque de células fagocíticas y anticuerpos (por lo que las variedades encapsuladas suelen ser más patógenas) y regular los procesos de intercambio de sustancias con el exterior. Además la cápsula permite la formación de colonias de bacterias. Pared bacteriana. Su espesor oscila entre 50 y 100 Å. Envoltura rígida exterior a la membrana. Da forma a la bacteria y sobre todo soporta las fuertes presiones osmóticas de su interior, también actúa como membrana semipermeable al paso de iones. Formada por peptidoglucanos (mureina). Los antibióticos actúan inhibiendo la síntesis de mureina, y por ello interrumpen el crecimiento bacteriano. La destrucción de la pared deja inerme a la bacteria. La pared presenta diferente estructura según el tipo de bacterias. Existen dos tipos básicos, las denominadas bacterias Gram-negativas y Gram-positivas

12 Las primeras presentan una pared rica en lípidos que, cuando se observa al microscopio electrónico, muestra una estructura biestratificada, con una capa basal de peptidoglucanos sobre la cual hay una doble capa lipídica que contiene gran número de proteínas, la mayoría enzimáticas, y glucolípidos. Esta capa recibe el nombre de membrana externa. Las segundas poseen una pared con escasos lípidos y al microscopio electrónico se muestra espesa y de estructura aparentemente amorfa. Membrana plasmática. Responde al modelo de bicapa lipídica de las células eucariotas, pero sin colesterol. Se caracteriza por poseer unas invaginaciones de forma variable, llamadas mesosomas, que representan un gran aumento de la superficie y que pueden contener sistemas enzimáticos que les permiten realizar funciones como: Dirigir la duplicación del ADN bacteriano, por acción de la ADN-polimerasa. Realizar los procesos de respiración celular. Regular el crecimiento de la membrana plasmática. Realizar la fotosíntesis en las bacterias fotosintéticas. Asimilar nitrógeno, nitratos y nitritos en las bacterias nitrificantes Citosol. De composición semejante a cualquier célula, siendo significativa la posesión de ribosomas 70 S (semejantes a los de mitocondrias y cloroplastos) y gran cantidad de gránulos de reserva llamados inclusiones. Nucleoide (Cromosoma bacteriano). Es la mayor parte del ADN bacteriano(sin histonas) y se encuentra en forma de una sola molécula circular superenrollada, suele estar unido a los mesosomas. El ADN de orgánulos eucarióticos como mitocondrias y cloroplastos es muy semejante al ADN bacteriano. Además del nucleoide, puede haber una o varias moléculas pequeñas de ADN extracromosomico llamadas plásmidos que se replican independientemente del cromosoma bacteriano.

13 Flagelos bacterianos. Prolongación filiforme de longitud variable, normalmente superior a la de la bacteria, que sirve para el movimiento de la célula en medio líquido. Pelos bacterianos o fimbrias. Son filamentos superficiales, abundantes, delgados y huecos. Tienen composición proteica, y su misión es de fijación a los sustratos, intercambio de moléculas y de información genética, participando en el proceso de apareamiento de las bacterias o conjugación Características funcionales. Funciones de nutrición. Las bacterias presentan todas las formas de nutrición existentes: autótrofas quimiosintéticas, autótrofas fotosintéticas y heterótrofas saprófitas (vive sobre materia orgánica en descomposición y se alimenta de ella. ), simbiontes o parásitas. Las bacterias y los hongos saprófitos forman los organismos descomponedores de la materia orgánica del suelo y el agua, transformándola en materia inorgánica que utilizan las bacterias quimiosintéticas, que al oxidarla obtienen energía química con la que fabricar materia orgánica, la transforman en sales minerales que pueden utilizar los organismos fotosintéticos (vegetales y algas). Son fundamentales para que se den los ciclos biogeoquímicos de la materia en el ecosistema. Funciones de relación. Son capaces de responder a estímulos mediante modificaciones de su actividad metabólica o de su comportamiento. Las respuestas pueden ser: dinámicas (implican movimiento de acercamiento o distanciamiento respecto a la fuente del estímulo) y estáticas (frente a condiciones adversas del medio): como la formación de quistes y la formación de esporas (Soportan condiciones de falta de humedad, temperaturas del orden de los 80 C, la acción de agentes químicos y de las radiaciones, durante largos periodos de tiempo. Cuando las condiciones vuelven a ser las adecuadas, la espora germina dando lugar a la bacteria con todas sus funciones).

14 - Funciones de reproducción. Generalmente las bacterias se reproducen asexualmente por bipartición. En primer lugar, se replica el ADN, ésta replicación está dirigida por la ADNpolimerasa de los mesosomas. Se forma un nuevo mesosoma. Se separan los mesosomas y arrastran a los ADN. Se forman tabiques de separación. Como resultado se forman dos células hijas, cada una de ellas con una réplica exacta del cromosoma de la célula madre. La división es muy rápida, una sola bacteria en 14 horas puede dar lugar a un clon de células. Con este tipo de reproducción asexual, la única posibilidad que tendría una bacteria de adquirir nueva información genética sería por mutación, pero las bacterias poseen un conjunto de mecanismos, denominados parasexuales, mediante los cuales se intercambian fragmentos de ADN entre bacterias distintas. Los procesos parasexuales son: -Conjugación. Proceso mediante el cual una bacteria donadora transmite, a través de su fimbria o pili, un fragmento de ADN a otra receptora. De este modo la receptora adquiere caracteres de la donadora. Se producen fenómenos de recombinación genética. -Transducción. La transferencia de ADN de una bacteria a otra se realiza a través de un virus bacteriófago. El virus transporta ADN de una bacteria destruida. -Transformación. Una bacteria capta fragmentos de ADN de otra bacteria que al ser destruida quedan en el medio en que viven. No interviene ningún agente transportador. Estos mecanismos explican la variabilidad que pueden presentar algunas bacterias al habitar junto a otras distintas. Un ejemplo es la resistencia a antibióticos que presentan bacterias patógenas al convivir en el intestino con bacterias simbiontes que resisten bien la acción de estos antibióticos.

15 Microorganismos eucarióticos Principales características de algas, hongos y protozoos. Las algas unicelulares Son microorganismos uni y pluricelulares, eucariotas autótrofos fotosintéticos con pared celular y cloroplastos, de organización talofítica (sin verdaderos tejidos), Su reproducción también puede ser asexual o sexual, en el primer caso mediante división celular, en el segundo llegan a presentar gran complejidad, con ciclos reproductores muy variados. Habitan en medios acuáticos o en lugares húmedos. Se clasifican en función de sus pigmentos y de las sustancias de reserva que acumulan. Se clasifican en Algas verdes, pardas y rojas. Protozoos Son microorganismos eucariotas unicelulares que carecen de paredes celulares, generalmente heterótrofos, saprófitos, simbiontes o parásitos, y en este último caso causantes de enfermedades como el paludismo. Generalmente se reproducen asexualmente, ya sea por bipartición, gemación y esporulación. Uno de los criterios utilizados para su clasificación es su forma de locomoción, pudiéndose mover mediante cilios, flagelos y seudópodos.

16 Principales grupos de Protozoos. PHYLLUM Mastigóforos o Flagelados Nombre común Locomoción Hábitat Ejemplos y otras características Flagelados Flagelos Aguas dulces* Tripanosoma que causa la enfermedad del sueño. Sarcodinos o Rizopodos Amebas Pseudópodos Aguas dulces y marinos* Amebas y foraminíferos (con caparazones silíceos y calizos) Cilióforos Ciliados Cilios Aguas dulces y marinos* Esporozoos Esporozoarios Contracción Parásitos internos *También tienen representantes parásitos. Paramecio Plasmodium causa el paludismo. Toxoplasma causa la toxoplasmosis Hongos Son organismos eucariotas con nutrición heterótrofa, siendo saprófitos, parásitos o simbiontes. Los hongos saprófitos son junto con las bacterias los descomponedores de la materia orgánica en el ecosistema. Los simbiontes pueden no perder su forma original, por ejemplo, las micorrizas en las que el hongo vive en las raíces de un vegetal y sus hifas ayudan en la absorción del agua y sales minerales recibiendo a cambio los nutrientes orgánicos, o pueden asociarse íntimamente con un alga y formar nuevas estructuras con morfología propia como ocurre en los líquenes. Sus células tienen una pared de quitina y como polisacárido de reserva utilizan el glucógeno. Su mecanismo de reproducción puede ser: asexual mediante esporas ó sexual por conjugación o somatogamia (fusión de hifas). De especial interés microbiológico son los mohos y las levaduras. Entre los mohos, destaca el género Penicillium productor del antibiótico penicilina. En el caso de las levaduras, como especie más representativa se puede citar Saccharomyces cerevisiae, responsable de la fermentación alcohólica.

17 Tipo de organización celular Número de células Tipo de nutrición Existencia de fotosíntesis Tipo de división celular Bacterias Algas Hongos Protozoos Procariota Eucariota Eucariota Eucariota Unicelulares y pluricelulares Autótrofa y heterótrofa Unicelulares Unicelulares y pluricelulares Unicelulares Autótrofa Heterótrofa Heterótrofa Sí Sí No No Bipartición Mitosis Mitosis Mitosis

18 1.2.4 RELACIONES ENTRE LOS MICROORGANISMOS Y LA ESPECIE HUMANA Según la relación que establezcan con el ser humano pueden ser: a) Microorganismos inocuos: no causan ni beneficio ni perjuicio. b) Microorganismos beneficiosos: producen beneficios que pueden ser: En el sector sanitario por la producción de medicamentos y vacunas. Ej. La penicilina. En la industria alimenticia porque obtenemos productos a partir de fermentaciones realizadas por microorganismos. Ej: Yogurt, queso, En la agricultura y ganadería porque los microorganismos permiten el reciclaje de la materia en el suelo enriqueciéndolo en nutrientes inorgánicos. En el medio ambiente influyen positivamente por depurar y reciclar los residuos producidos por el ser humano y producen combustibles alternativos a los empleados en la actualidad y con un índice de contaminación menor. También hay que citar que los líquenes formados por la asociación de un alga y un hongo son los primeros colonizadores del Ecosistema iniciando una sucesión ecológica.. Por sus aplicaciones en Biotecnología, al obtener microorganismos transgénicos capaces de producir sustancias específicas para el ser humano. Los microorganismos simbiontes como las bacterias del intestino grueso que producen vitamina K, o los que se encuentran en la piel que impiden la colonización de otras especies parásitas. c) Microorganismos perjudiciales: causan enfermedades en el ser humano, en sus cultivos o en sus animales domésticos. Los microorganismos que originan enfermedades infecciosas se denominan patógenos y pueden ser los virus, las bacterias, protozoos, y hongos (micosis). En toda enfermedad infecciosa se aprecian las siguientes etapas: infección, periodo de incubación, periodo agudo, periodo de declive y periodo de convalecencia. Las enfermedades infecciosas se transmiten directamente desde el organismo enfermo o indirectamente mediante un ser vivo que se llama vector por ejemplo un insecto, o mediante el agua, alimentos, material contaminado etc. Ejemplos de enfermedades víricas: sarampión, rubéola, gripe, sida... Ejemplos de enfermedades bacterianas: tuberculosis, neumonía, faringitis. Meningitis... Ejemplos de enfermedades causadas por protozoos: gastroenteritis aguda, paludismo,.. Ejemplos de enfermedades causadas por hongos: pie de atleta, micosis. Las enfermedades en las plantas pueden ser causadas por bacterias patógenas, virus y hongos. Las enfermedades causadas en los animales son debidas a bacterias, virus, y protozoos.

19 2. BIOTECNOLOGIA 2.1. Concepto. Biotecnología: Conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales, para obtener determinados productos Microorganismos utilizados en Biotecnología. Los microorganismos utilizados en procesos industriales son organismos seleccionados cuidadosamente para producir uno o varios productos específicos, bien directamente o mediante transformaciones bioquímicas, y con un gran rendimiento. Las propiedades que debe tener un microorganismo industrial son: - Producir una sustancia de interés y aplicación. - Crecer en cultivo puro de forma rápida, originando rápidamente el producto deseado. - Utilizar como fuente de carbono, en el cultivo, sustancias de bajo coste; a veces se emplean sustancias de desecho de otras industrias, como la pulpa de la remolacha, suero de quesos etc. - Tener un tamaño celular tal que permita su eliminación fácil del medio de cultivo donde crece. - Ser susceptible de manipulación genética. Al estudiar las aplicaciones, se citan los microorganismos que se utilizan. Como ejemplos recordar las bacterias y levaduras en las fermentaciones para obtener productos derivados de la leche, bebidas alcohólicas o productos de panadería y repostería. Los hongos productores de antibióticos, las bacterias transgénicas que producen inmunoglobulinas, hormonas y enzimas etc. 2.3 Principales técnicas empleadas en Biotecnología. Los procedimientos biotecnológicos clásicos son principalmente las fermentaciones, con las que se han obtenido desde tiempos muy remotos bebidas alcohólicas y derivados de la leche como queso, yogurt, etc. Para conseguir que los microorganismos que nos interesan realicen el proceso industrial que necesitamos, es necesario una serie de técnicas que aseguren el aislamiento, cultivo y estudio de ellos bajo condiciones controladas de laboratorio. Esto implica métodos de cultivo, de esterilización, de siembra, de identificación y de observación de los microorganismos. En la actualidad las técnicas punteras se basan, en la aplicación industrial de la ingeniería genética que utiliza seres vivos modificados para producir compuestos, como la insulina, la hormona del crecimiento, interferón, vacunas, enzimas, antibióticos, etc.

20 Básicamente, el proceso parte con la obtención de un fragmento de ADN que contiene el GEN que nos interesa. Esto se realiza mediante las enzimas de restricción que son capaces de cortar el ADN por lugares específicos. El gen se introduce en un vector como un plásmido o un virus y obtenemos un ADN recombinante. Este vector se pone en contacto con el microorganismo al que queremos modificar, de forma que si es una bacteria, por medio de la conjugación, transducción o transformación, adquiere este gen. El último paso es detectar que la sustancia que depende del gen clonado se encuentra en este microorganismo o ha sido excretada al medio Principales aplicaciones Biotecnología aplicada en la agricultura. - Control de plagas. Aunque se conocen muchas bacterias patógenas de insectos, sólo pocas se emplean comercialmente. Un ejemplo es el de Bacillus thuringiensis, cuyas células en esporulación poseen unas inclusiones proteínicas cristalinas de elevada toxicidad, especialmente para lepidópteros. - Micorrizas. El término micorriza proviene del griego y significa literalmente hongo de la raíz, y se refiere a la simbiosis que existe entre las raíces de las plantas y los hongos. Dependiendo del medio donde se encuentre la planta, la micorriza puede incrementar algunas de sus competencias. En ambientes húmedos, por ejemplo, aumentan la disponibilidad de nutrientes, especialmente fósforo. En ambientes áridos, donde los nutrientes no limitan de la misma forma el funcionamiento de la planta, la micorriza ayuda a la absorción de agua, permitiendo tasas de transpiración más altas que las plantas no micorrizadas. - Bacterias fijadoras del nitrógeno atmosférico. Sabemos que bacterias del género Rhizobium viven en los nódulos de las raíces de las leguminosas. Estas bacterias son capaces de captar el nitrógeno atmosférico (N2) y transformarlo en NH3 y de aquí al ciclo geoquimico. Se está empleando la ingeniería genética para alterar estas bacterias fijadoras de nitrógeno de forma que puedan vivir en las raíces de cereales y actúen como fábricas de abono.

21 Biotecnología aplicada en farmacia y sanidad - Elaboración de vacunas. La elaboración de las vacunas puede seguir distintos procedimientos, desde manipular los microorganismos para atenuar su virulencia a crear el antígeno concreto que desarrolla la respuesta en el hospedador. - Producción de antibióticos. Por ejemplo, la penicilina se obtiene a partir de un hongo del género Penicillium. Desde 1945 se han aislado miles de antibióticos producidos por hongos y bacterias, de los cuales, unos 50 se producen a gran escala, para uso médico y veterinario. Con estas sustancias se pueden tratar infecciones fúngicas y bacterianas. - Producción de hormonas. Mediante técnicas de ingeniería genética es factible manipular bacterias para que fabriquen proteínas humanas, como por ejemplo insulina. Se ha introducido el gen de la insulina humana en la bacteria Escherichia coli, que la produce en cantidades masivas y con las mismas características. En 1952 se descubrió que el moho del pan, podía convertir la progesterona en cortisona con un alto rendimiento y, posteriormente, que se podían obtener otras hormonas, como las utilizadas en anticonceptivos, partiendo de la acción combinada de varios microorganismos. EJEMPLO DE APLICACIÓN BIOTECNOLÓGICA: Producción de insulina mediante ingeniería genética. INGENIERÍA GENÉTICA En las últimas décadas se puede conseguir una mejora aplicando la ingeniería genética o tecnología del ADN recombinante; que comprende un conjunto de técnicas que permiten modificar el patrimonio genético de un organismo al introducir en él uno ó más genes procedentes de otro organismo, obteniendo organismos transgénicos. La tecnología del ADN recombinante ofrece muchas ventajas frente a los cruces selectivos: es un procedimiento más rápido, permite transmitir sólo los genes deseados, posibilita la transferencia de genes de una especie a otra, lo cual provoca la aparición de combinaciones génicas nuevas.

22 Herramientas en ingeniería genética: Enzimas "de corte" o de restricción. Actúan como "tijeras moleculares" que cortan el ADN por lugares específicos. Estos fragmentos de ADN podrán unirse a vectores de clonación Un "vehículo" o vector. Se utilizan para mover genes. Los vectores más utilizados son plásmidos bacterianos. Los plásmidos son pequeñas moléculas circulares de ADN que incorpora con facilidad ADN foráneo (procedente de otro organismo) y se pueden transferir a otras células. Enzimas de "pegado" o ADN ligasas. Unen fragmentos de ADN de distinta procedencia y originan un ADN "híbrido". Un plásmido bacteriano que lleva incorporado un fragmento de ADN foráneo es un ADN "híbrido" o ADN recombinante. Etapas en la transferencia de genes: 1) Aislamiento del gen específico. Se utilizan enzimas de restricción o endonucleasas, que cortan el ADN de la célula donadora en pequeños fragmentos entre los que se encuentra el gen que se quiere transferir (por ejemplo el gen de la insulina). Estas enzimas actúan como tijeras moleculares. 2) Introducción de este gen en una molécula de ADN vector. Con las enzimas de restricción también se corta los plásmidos utilizados como vector. El gen aislado se une mediante una ADN ligasa al ADN vector (plásmido bacteriano), obteniéndose ADN recombinante. 3) Incorporación de ADN recombinante en la célula hospedadora. El ADN recombinante (plásmido híbrido) se introduce en la célula hospedadora, la cual proporciona la maquinaria necesaria para la replicación de las moléculas recombinantes, es decir, para clonar el gen deseado.

23 Comprobación de la expresión del gen clonado y selección de las células hospedadoras que lo llevan. Para tener certeza de que se ha logrado el resultado apetecido, los científicos unen al gen elegido un marcador fácilmente detectable. Por ejemplo, si se han manipulado bacterias, estas se inoculan en placas de Petri, que contienen un medio de cultivo en el que se han incluido las sustancias necesarias para su crecimiento y se mantienen a una temperatura de 37 ºC. En estas condiciones las bacterias se multiplican cada 20 minutos, desarrollándose en una sola noche multitud de colonias. Puesto que el gen elegido está unido a un gen marcador, si este gen marcador está presente en las colonias cultivadas se manifestará, indicándonos así que ha sido efectivamente incorporado al genoma bacteriano y, por tanto, que la manipulación genética ha sido un éxito. Estas células recombinantes se cultivan industrialmente, obteniéndose billones de células con billones de copias del nuevo gen, que al expresarse dan lugar a una enorme cantidad de proteínas, que como la insulina u otras sustancias similares son muy importantes para la humanidad

24 Biotecnología aplicada en alimentación. La elaboración de pan, queso y cerveza son los primeros ejemplos de biotecnología, y se remontan a miles de años. Estos procesos tienen que haberse descubierto por casualidad y se transmitieron de generación en generación a lo largo de los siglos como un arte, y no como una ciencia. Los microbios que intervienen en muchos de estos procesos no se conocieron hasta el siglo XIX. En la actualidad, la producción de pan y queso en fábricas está altamente mecanizada y muy bien comprendida por científicos y biotecnólogos. Fabricación de vino. La elaboración del vino entraña la fermentación de los azúcares contenidos en el mosto de la uva, convirtiéndolos en alcohol y CO2. Las responsables de este proceso son las levaduras del género Sacharomyces que existen normalmente sobre la piel de la uva. El proceso dura de siete a once días, a temperaturas inferiores a 29,4oC, con una primera fase aerobia y una segunda anaerobia. Fabricación de pan. Para elaborar el pan se mezclan harina y agua y se inocula levadura de panadería (Sacharomyces cerevisiae), dejando esta mezcla durante unas horas para que tenga lugar la subida de la masa por producción de CO2. Durante la cocción, la levadura queda inactivada y se destruye el alcohol producido por la fermentación. Fabricación del yogur. Se utiliza leche entera, que fermenta por acción de microorganismos de los géneros Streptococcus y Lactobacillus. Se lleva a cabo la fermentación láctica a una temperatura de, aproximadamente, 40 oc. El aroma característico se debe al ácido láctico, producido a partir de la lactosa, y el acetaldehído.

25 Procesos de interés ambiental. Eliminación de metales pesados de las aguas contaminadas. La tecnología aplicada permite no solo la clarificación de las aguas sino incluso la recuperación de metales de interés económico. Entre los microorganismos empleados se cuentan bacterias, algas y hongos, que acumulan fácilmente iones orgánicos presentes a baja concentración en aguas residuales. Por ejemplo, Sacharomyces cerevisiae y Rhizopus arrhizus absorben uranio de las aguas residuales. Recientemente, científicos españoles han conseguido crear, mediante ingeniería genética, una bacteria que puede atraer metales pesados y capturarlos en su membrana por diferencia de carga eléctrica. Control de las mareas negras. Varias cepas de Pseudomonas pueden consumir hidrocarburos. Aunque generalmente cada tipo de bacteria utiliza una clase de hidrocarburo, se ha creado, por ingeniería genética, un microbio capaz de transformar todos los hidrocarburos presentes en un vertido de petróleo. Producción de biogás. La producción de biogás a partir de residuos agrícolas, forestales o animales es un claro ejemplo de aplicación biotecnológica de los microorganismos. Para ello se emplean bacterias metanogénicas (géneros Methanobacterium, Methanococcus., etc.). Estas bacterias metabolizan compuestos biocarbonados hasta metano. Actualmente se investigan sistemas combinados para la producción de biogás y bioalcohol Vocabulario: Acelular, adenovirus, algas, ameba, antibiótico, bacilo, bacteria, bacteriófago, coco, conjugación, episoma o plásmido, espirilo, esporozoo, lactobacilo, levadura, mesosoma, micorriza, parasitismo, patógeno, prión, protoctista, protozoo, pseudópodo, retrovirus, salmonella, transcriptasa inversa, transducción, transformación, víbrio, virus, virus latente.