1 Introducción: Panorámica general de la microbiología y biología celular. Los microorganismos como células. Procesos moleculares en las células.

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1 1 Introducción: Panorámica general de la microbiología y biología celular. Los microorganismos como células. Procesos moleculares en las células. Crecimiento, mutación y evolución. Estructura celular. Relaciones evolutivas entre los seres vivos. Poblaciones, comunidades y ecosistemas. Cultivo de los microorganismos en el laboratorio. El impacto de los microorganismos sobre las actividades humanas. Breve historia de la microbiología. La microbiología es el estudio de los microorganismos, un extenso y variado grupo de organismos microscópicos que existen como células aisladas o agrupaciones celulares; también incluye el estudio de los virus, que son microscópicos pero no celulares. Las células microbianas son distintas de las células de animales y plantas, que son incapaces de vivir aisladas en la naturaleza y solo pueden existir como partes de los organismos pluricelulares. Una célula microbiana aislada es, en general, capaz de llevar a cabo sus procesos vitales de crecimiento, generación de energía y reproducción independientemente de otras células, de la misma o de diferente clase. De que trata, entonces, la microbiología? Podemos señalar aquí varios aspectos de esta ciencia: (1) Estudia células vivas y cómo funcionan. (2) Trata de los microorganismos, que constituyen una importante clase de células capaces de existir en forma libre o independiente. Se centra especialmente en las bacterias, una gran grupo de células estructuralmente simples y de enorme importancia básica y práctica. (3) Investiga acerca de la diversidad microbiana y de la evolución, es decir, sobre cómo y por qué aparecen los diferentes tipos de microorganismos. (4) Estudia lo que los microorganismos hacen en el mundo en su conjunto, en la sociedad humana, en nuestros propios cuerpos, y en los de los animales y las plantas. (5) Se ocupa del papel central que tiene como ciencia biológica básica y de cómo el conocimiento de los microorganismos puede ayudar a comprender mejor la biología de los organismos superiores, incluido el hombre. Por qué estudiar microbiología? La microbiología, que es una de las ciencias biológicas más importantes, se estudia pro dos razones principales: -Como ciencia biológica básica. la microbiología suministra algunas de las herramientas de investigación más versátiles para determinar la naturaleza de los procesos características de la vida. Los sofisticados conocimientos que poseemos sobre los principios físicos y químicos que gobiernan los procesos vitales han surgido de estudios con microorganismos, y esto es debido a que las células microbianas constituyen un excelente modelo para comprender algunas funciones celulares en animales y plantas. -Como ciencia biológica aplicada, la microbiología se ocupa de muchos problemas prácticos que son importantes en medicina, agricultura e industria. Algunas de las enfermedades más importantes de humanos, animales y plantas son causadas por microorganismos. Los microorganismos desempeñan importantes funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal. Muchos procesos industriales a gran escala se basan en microorganismos, lo que ha conducido al desarrollo de toda una nueva disciplina, la biotecnología. Los microorganismos como células. La célula es la unidad fundamental de toda materia viva. Una única célula es una entidad, aislada de otras células por la membrana celular (y quizás por una pared celular) y conteniendo dentro de ella una variedad de materiales químicos y estructurales subcelulares. La membrana celular es la barrera que separa el interior celular del exterior. Dentro de la membrana celular se encuentran las diversas estructuras y sustancias que hacen posible que la célula funcione. Estructuras clave son el núcleo o nucleoide, donde se guarda la información necesaria para hacer más células, y el citoplasma, donde se encuentra la maquinaria para el crecimiento y el funcionamiento celular. Todas la célula contienen determinados tipos de componentes químicos complejos: proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y polisacáridos. Colectivamente se denominan macromoléculas. Debido a que estos componentes químicos se presentan en todos los seres vivos, se piensa que todas la células descienden de un antecesor común único, el antecesor universal. A través de miles de millones de años de evolución ha ido apareciendo la enorme diversidad de tipos celulares que existe hoy en día. Aunque cada tipo de célula tiene un tamaño y una estructura definida, una célula es una unidad dinámica que constantemente sufre cambios y modifica sus constituyentes. Incluso cuando no está creciendo, una célula está continuamente tomando materiales del medio y transformándolos en su propio material. Al mismo tiempo, origina productos de desecho que libera el medio. Una célula es por tanto un sistema abierto, que está en cambio continuo pero que permanece siendo la misma.

2 La característica de una célula. Una célula viva es un sistema químico complejo. Cuáles son las características que permiten separa las células de los sistemas químicos no vivos? Podemos citar cinco importantes caracteres diferenciales: -Autoalimentación o nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho. -Autorreplicación o crecimiento. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. Aconsecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células, cada una casi idéntica a la célula original. -Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo de vida celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia. -Señalización química. Las células responden a estímulos químicos y físicos del medio y, en el caso de células móviles, hacia tal estimulo ambiental o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina taxis. Además, con frecuencia las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales químicas. -Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influenciar la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular. Procesos moleculares en las células. Las células se pueden considerar como máquinas que realizan transformaciones químicas. Desde este punto de vista, la célula es una máquina química que convierte energía de una forma a otra, rompiendo moléculas en compuestos más pequeños, construyendo moléculas grandes a partir de otras menores y realizando muchas otras transformaciones químicas (una molécula se define como dos o más átomos unidos químicamente entre sí).el término metabolismo se usa para indicar colectivamente la serie de procesos químicos que ocurren en los organismos vivos, tanto biosintéticos como degradativos. Las células también se pueden considerar como dispositivos codificadores análogos a un ordenador, y poseen información que se transmite a la descendencia o se ejecuta de otro modo. El término genética describe la herencia y la variación de los organismos vivos así como los mecanismos por los que estos procesos se llevan a cabo. Función como máquina: el papel de las enzimas. Si una célula es una máquina química, cuáles son las fuerzas que la hacen funcionar? Los componentes de la maquinaria química celular son las enzimas, moléculas proteicas capaces de catalizar reacciones químicas específicas. Que una célula pueda o no realizar una reacción química concreta depende de la presencia en la célula de la enzima particular que cataliza tal reacción. La especificidad de las enzimas es en general muy elevada, de modo que incluso reacciones químicas estrechamente relacionadas suelen estar catalizadas por enzimas distintas. La especificidad de una enzima la determina, en primer lugar, su estructura. Como son proteínas, las enzimas son polímeros constituidos por largas cadenas de aminoácidos (hay 21 aminoácidos diferentes) conectados entre sí de modo específico y altamente preciso. Es la secuencia de aminoácidos la que determina la estructura de una enzima así como su especificidad catalítica. Una molécula proteica aislada presenta a menudo 300 o más aminoácidos. La larga cadena de aminoácidos se dispone adoptando una configuración específica, formando varias zonas o dominios que juegan papeles específicos en la función de la proteína. El funcionamiento de una célula como máquina (metabolismo) viene determinado en esencia por las cantidades y tipos de las diversas enzimas que posea. Función codificadora: DNA, RNA, proteína. Cuando examinamos cómo se determina la secuencia de aminoácidos de una proteína estamos considerando a las células como dispositivos codificadores. Cómo es capaz una célula de disponer los aminoácidos en secuencias precisas, de modo que cada una de ellas constituya una clase diferente de proteína? Para comprender esto debemos considerar a la célula como un sistema que almacena información y lo convierte a la forma apropiada. A este respecto, podemos considerar ala célula como un depósito de información de secuencias proteicas almacenadas en forma codificada. Este código, llamado código genético, está contenido en la secuencia de los nucleótidos que presenta la molécula hereditaria de ácido desoxirribonucleico (DNA). Cada nucleótido tiene una base nitrogenada, 2

3 3 adenina, guanina, citosina o timina. El DNA se presenta en la célula como dos largas moléculas que se entrelazan formando una hélice, la famosa doble hélice del DNA. Un gen es un segmento de DNA que codifica una proteína específica. El DNA experimenta dos importantes transformaciones en la célula. Primero, todas las moléculas de DNA sufren replicación antes de cada división celular, lo que permite que cada nueva célula reciba un juego completo de instrucción genética (ver imagen). Segundo, el código genético escrito en el DNA debe ser transcrito y traducido: la secuencia de bases del DNA determina la secuencia específica de aminoácidos de la proteína. Este proceso es llevado a cabo en la célula por un mecanismo especial bastante complejo. En el sistema de traducción se encuentra la esencia de la función celular. El sistema de traducción. En el lenguaje celular la traducción es esencial para asegurar la funcionalidad. Esto se deba a que la información genética contenida en la molécula de DNA es solamente un depósito incapaz de ser interpretado directamente. Una proteína solo se puede hacer utilizando como intermediario el sistema de traducción. El sistema de traducción es por tanto el atributo central y más importante de la célula. Debido a su papel central, resulta difícil cambiar el sistema de traducción. De hecho, aunque puede diferir en ciertos detalles, el sistema de traducción es esencialmente el mismo en toda clase de organismos. Es muy probable que en el origen de la vida el sistema de traducción fuera una de las primeras cosas en surgir y que, una vez formado, se mantuviera prácticamente sin modificar a lo largo de la historia de la vida sobre la Tierra. El aparato de traducción no puede usar el DNA directamente y la información contenida en el DNA debe ser primero transcrita a ácido ribonucleico (RNA). A su vez, esto puede ser también un reflejo del origen de la vida sobre la Tierra, ya que muchos biólogos piensan que hubo un periodo de evolución antes de que existiese el DNA durante el cual el RNA fue el depositario de la información genética. La producción de proteínas requiere dos procesos: -TRANSCRIPCIÓN, es decir, la formación de moléculas de ácido ribonucleico mensajero que contienen una copia complementaria de la información genética almacenada en el DNA. -TRADUCCIÓN, el proceso de unión de los aminoácidos para formar proteínas que ocurre en los ribosomas, estructuras compuestas de otra forma de RNA y varias proteínas. En el proceso de traducción el RNA mensajero que contiene las instrucciones genéticas para hacer las proteínas, se combina con los ribosomas y, mediante la acción de varios factores forma finalmente una proteína cuya conformación se adapta para realizar una función específica en la célula. La transcripción de diferentes genes conduce a la formación de diferentes proteínas y el conjunto de proteínas producidas por un organismo dado es característico de dicho organismo y susceptible de cambiar en función de las condiciones de crecimiento y otros factores. Crecimiento, mutación y evolución. La conexión entre los dos atributos de una célula, su función como máquina y su función como código, se expresa mediante el proceso de crecimiento celular. Una célula viva crece en tamaño y luego se divide formando dos células. En el ordenado proceso de crecimiento que origina dos células la cantidad de todos los constituyentes de la célula inicial se duplica. El aumento de tamaño requiere el funcionamiento de la maquinaria química celular para suministrar energía y precursores necesarios en la biosíntesis de macromoléculas. Pero cada una de las células debe contener también toda la información genética necesaria para la formación de más células, y por tanto debe haber duplicación del DNA durante el crecimiento y la división. Cuando una célula se convierte en dos es importante no sólo que el contenido en DNA se duplique, sino que se copie exactamente la secuencia precisa de bases del DNA. En consecuencia, decimos que las dos células descendientes son genéticamente idénticas a la célula parental (imagen, parte superior). Mutaciones. Ocasionalmente, sin embargo, ocurren errores en la copia del DNA y por tanto puede ocurrir que una de las dos células descendientes no sea idéntica a la parental. Los errores originados en la copia del DNA se llaman mutaciones. Una mutación es un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos de la molécula de DNA que se transmite a la descendencia. En algunos casos, una mutación puede no tener efecto detectable alguno, pero en muchos otros origina la formación de una proteína defectuosa (o ausencia de proteína) de modo que la célula es defectuosa y puede morir o manifestar algún tipo de deterioro. Tales células suelen desaparecer de la población. Así pues, las mutaciones son generalmente perjudiciales. Sin embargo, en raras ocasiones una mutación puede dar como resultado la formación de una proteína mejorada, por ejemplo, una proteína con funcionamiento más adecuado que la presente en la célula parental. La célula que contiene esta enzima alterada presenta por tanto una ventaja selectiva y, tras posteriores divisiones

4 4 celulares, puede acabar reemplazando al tipo parental. El valor de supervivencia de una mutación depende normalmente del entorno en el que vive el organismo. En algunos ambientes una mutación puede ser beneficiosa y en otros perjudicial. Mutaciones y evolución. El proceso natural a través de mutaciones y los efectos derivados que acabo de comentar constituye la selección natural, un fenómeno que es la base del proceso de la evolución. Aunque Charles Darwin propuso la teoría evolutiva a partir de observaciones de organismo pluricelulares, la evolución darwiniana se demuestra de modo más claro y efectivo a nivel microbiano. La evolución microbiana no solo ha suministrado parte del apoyo más fundamental de la teoría de la evolución, sino que ha desvelado consecuencias prácticas muy importantes. Por ejemplo, han surgido microorganismos causantes de enfermedades que son resistentes a ciertos antibióticos y, por tanto, las enfermedades causadas por esos microorganismos ya no pueden ser tratadas por tales antibióticos. Podemos considerar esto como un dramático y práctico resultado de la evolución. Cabe resaltar aquí que la amplia diversidad microbiana, así como la diversidad de los organismos superiores, se debe al proceso de evolución mediante la acción conjunta de mutación y selección natural. Estructura celular. Cuál es la estructura de una célula? Todas las células tienen una barrera denominada membrana (celular) citoplasmática que separa el exterior del interior celular. A través de la membrana celular entran todos los nutrientes y otras sustancias de vital importancia para la célula, y a través de esta misma membrana salen de la célula los materiales de desecho y otros productos celulares. Cuando la membrana resulta dañada el contenido de la célula sale y la célula normalmente muere. Algunos fármacos y otros compuestos químicos dañan la membrana citoplasmática ocasionando así la destrucción de las células. La membrana citoplasmática es una capa muy fina y flexible que es estructuralmente débil. Por sí sola, no suele mantener unidos los componentes de la célula y se necesita una capa adicional más sólida llamada pared celular. La pared es una capa relativamente rígida que se sitúa por encima de la membrana, protegiéndola y dando firmeza a la célula. Las células vegetales y la mayor parte de los microorganismos poseen estas paredes celulares rígidas. Las células animales, sin embargo, no tienen paredes; estas células han desarrollado otros medios de protección. Dentro de una célula, y limitada por la membrana citoplasmática, se encuentra una complicada mezcla de sustancias y estructuras llamada citoplasma. Estos materiales y estructuras, inmersos en agua, realizan las funciones de la célula. Los componentes mayoritarios del citoplasma, además del agua, incluyen macromoléculas, ribosomas, pequeñas moléculas orgánicas (principalmente precursoras de macromoléculas) y diversos iones inorgánicos. Células procarióticas y eucarióticas. Tras cuidadosos estudios de la organización interna de las células, se ha puesto de manifiesto la existencia de dos tipos básicos: procariotas y eucariotas. Estos dos tipos de células son estructuralmente muy diferentes. Una diferencia estructural importante entre procariotas y eucariotas, además del tamaño, es la disposición del DNA dentro de la célula. Los eucariotas contienen un núcleo rodeado por una membrana nuclear que encierra varias moléculas de DNA y se divide por el proceso de mitosis. Por el contrario, la región nuclear procariótica, llamada nucleoide, no está rodeada por una membrana, consta de una sola molécula de DNA y su división no es mitótica. A diferencia de las procarióticas, las células eucarióticas contienen normalmente, además del núcleo, otras estructuras internas rodeadas por membrana, como las mitocondrias y los cloroplastos (éstos sólo en células fotosintéticas) y poseen también un citoesqueleto formado por una serie de componentes internos que funcionan como un andamiaje y permiten el movimiento de sus componentes interiores. Los únicos procariotas representan dos importantes ramas evolutivas, Bacteria y Archaea. Existen varios grupos de microorganismo eucarióticos, incluyendo algas, hongos y protozoos. Además, todas las formas pluricelulares de vida (plantas y animales) están formadas por células eucarióticas. En general, los microorganismos son muy pequeños. Un procariota típico de forma bacilar puede tener una longitud de 1-5 micrómetros (μm) y es por tanto completamente invisible a simple vista. Para ilustrar la pequeñez de una bacteria consideremos que se podrían colocar en línea 500 bacterias de 1 μm de largo a lo largo del diámetro del punto final de este párrafo. Los virus no son células. Los virus carecen de muchos de los atributos de la células, y no son sistemas dinámicos abiertos. Una partícula vírica aislada es una estructura estática muy estable e incapaz de cambiar o reemplazar sus partes constituyentes. Solo cuando se asocia con una célula el virus es capaz de replicarse y adquirir algunos de los atributos de un sistema vivo. Así, a diferencia de las células, los virus no tienen

5 5 metabolismo propio. Aunque poseen información genética (DNA o RNA), los virus carecen de sistema de traducción y usan la maquinaria de la célula para la síntesis de proteínas. Los virus infectan diversos organismos, incluyendo a los microorganismos. Muchos virus provocan enfermedades en el organismo que infectan, pero la infección vírica no siempre conduce a enfermedad. Además de enfermedad, los virus pueden tener otros importantes efectos sobre las células. Relaciones evolutivas entre organismos vivos. Aunque las células se pueden diferenciar estructuralmente como procariotas o eucariotas, la estructura celular no implica necesariamente una relación evolutiva. Sin embargo, en la actualidad se pueden determinar relaciones filogenéticas (evolutivas) entre los microorganismos. Para establecer estas relaciones se utilizan una serie de métodos basados en comparaciones de la secuencia de ácidos nucleicos, particularmente en la secuencia del RNA ribosómico, esto es, el RNA estructural del ribosoma que constituye la estructura clave de la célula implicada en la traducción. De hecho, uno de los descubrimientos recientes más importantes en biología es que los cambios en la secuencia nucleotídica del RNA ribosómico (determinados en definitiva por mutaciones en el DNA que codifica el RNA ribosómico) pueden ser usados como una medida para establecer relaciones evolutivas entre células. A partir de estudios sobre secuencias de RNA ribosómico se pueden definir tres linajes celulares evolutivamente diferentes, dos de los cuales presentan estructura procariótica y uno que es eucariótico. Los grupos se llaman Bacteria, Archaea y Eukarya. Sin embargo, pese al hecho de que a nivel molecular tanto Bacteria como Archaea son procariotas, los dos grupos difieren evolutivamente entre sí tanto como del grupo Eukarya. Se piensa que los tres grupos se originaron muy pronto en la historia de la vida sobre la Tierra por divergencias a partir de un organismo ancestral común, el "antepasado universal". Como las células de animales y plantas superiores son eucarióticas, se piensa que los microorganismos eucarióticos fueron los antecesores de los organismos pluricelulares, mientras que Bacteria y Archaea representan ramas evolutivas que nunca evolucionaron más allá del nivel microbiano. Algunos orgánulos de células eucarióticas, como las mitocondrias y los cloroplastos, están relacionados filogenéticamente con miembros de Bacteria que hace eones llegaron a integrarse en la célula eucariótica mediante un proceso denominado endosimbiosis. (Eón: unidad geocronológica de rango máximo, equivalente a mil millones de años, que comprende varias eras.) Clasificación. Además de comprender y valorar los orígenes filogenéticos de los organismos celulares resulta importante, por muchos motivos, ser capaz de identificar y clasificar los microorganismos. Por ejemplo, una identificación rápida de un microorganismo causante de enfermedades en humanos (un patógeno) es esencial para establecer el tratamiento adecuado del paciente. Se han usado varios criterios para caracterizar microorganismos y, en la actualidad, se tienen en cuenta tanto características celulares como filogenéticas para la clasificación. Tras un estudio profundo de la estructura y función de un microorganismo, incluyendo su genética, metabolismo, comportamiento y otras propiedades distintivas, es posible reconocer un cierto número de características únicas en un microorganismo dado. Una vez que el organismo ha sido definido en función de esa serie de características propias, recibe un nombre. Los microbiólogos usan el sistema binomial de nomenclatura establecido inicialmente por Linneo para designar animales y plantas. El género es un nombre que se aplica a ciertos organismos relacionados; dentro del género, cada tipo de organismo recibe un nombre de especie. Los nombres de género y especie se usan siempre juntos para describir un tipo específico de organismo, ya sea una célula aislada o un grupo de células. (En su escritura, el género y la especie se subrayan o se imprimen en cursiva. Por ejemplo, la bacteria Escherichia coli, o abreviadamente E. coli, tiene una designación de género, Escherichia, y un nombre de especie, coli.) Diversidad microbiana. Comprender la diversidad microbiana requiere conocer las raíces evolutivas de las células. Debido a que la evolución ha forjado todas las formas de vida en la Tierra, la diversidad estructural y funcional que apreciamos en las células representa un conjunto de éxitos evolutivos que, a través del proceso de la selección natural, confieren un valor de supervivencia (adaptabilidad) a los microorganismos de hoy. La diversidad microbiana puede ser apreciada en términos de variaciones en el tamaño celular y la morfología, estrategias metabólicas, movilidad, división celular, biología del desarrollo, adaptación a ambientes extremos y muchos otros aspectos estructurales y funcionales de la célula. Dentro de Bacteria se presentan varias ramas evolutivas, que incluyen a todos los procariotas causantes de enfermedades (patógenos) y a la mayor parte de las bacterias que se encuentran normalmente en el suelo, aguas, tracto digestivo de animales y muchos otros medios. Algunos de estos organismos contienen

6 6 pigmentos que les permiten usar la luz como fuente de energía mediante un proceso llamado fototrofía, otros dependen de compuestos orgánicos como fuente de energía, y algunos pueden usar incluso compuestos químicos inorgánicos como combustible para realizar los procesos celulares. La mayor parte de los procariotas que encontramos comúnmente cada día son Bacteria en sentido filogenético. Algunos han adquirido estructuras especiales, como esporas, para mejorar la supervivencia. Tanto los ambientes aerobios (que contiene O2) como los anóxicos o anaerobios pueden ser habitado por distintas especies de Bacteria. La imagen de los procariotas denominados globalmente Archaea es, por el contrario, muy distinta. La mayor parte de los Archaea son anaerobios, esto es, son células incapaces de vivir al aire libre. Muchos se desarrollan bajo condiciones de crecimiento poco usuales, habitando lo que los humanos consideraríamos ambientes extremos: fuentes termales (a veces a temperaturas superiores a las de la ebullición del agua), acúmulos de agua extraordinariamente salina y suelos y aguas altamente ácidas o alcalinas. Muchas especies de Archaea definen actualmente los límites más extremos de la tolerancia biológica a factores fisicoquímicos. Algunas Archaea muestran también propiedades bioquímicas poco comunes, como los metanógenos, que son procariotas que producen metano (gas natural) como parte esencial de su metabolismo energético. Entre los Eukarya que son microorganismos se encuentran las algas, los hongos y los protozoos. Las algas contienen clorofila, un pigmento verde que sirve como molécula captadora de luz y que hace posible que las algas realicen fototrofía. Las algas son frecuentes en hábitats acuáticos y se pueden encontrar también en suelos. Los hongos filamentosos o unicelulares, como las levaduras, carecen de clorofila y adquieren su energía de compuestos orgánicos en el suelo y en el agua. Se considera que los hongos juegan un papel importante en la degradación de la materia orgánica muerta en estos y otros ambientes. Los protozoos son Eukarya incoloros y móviles que obtienen alimento por ingestión de otros organismos o partículas orgánicas. Los protozoos carecen de las paredes celulares que presentan las algas y los hongos y, en este sentido, parecen células animales. Muchos protozoos son microorganismos de vida libre, pero unos cuantos originan enfermedades en el hombre y otros animales. Poblaciones, comunidades y ecosistemas. Hasta ahora hemos considerado a las células como si vivieran aisladas en sus ambientes. Nada podría estar más lejos de la verdad. En la naturaleza, las células viven asociadas con otras células en agrupaciones que llamamos poblaciones. Tales poblaciones se componen de grupos de células relacionadas, que generalmente derivan de una única célula parental por sucesivas divisiones celulares. La localización en el ambiente donde vive una población se denomina hábitat de dicha población. En la naturaleza, a su vez, las poblaciones celulares rara vez viven solas. Más bien, viven en asociación con otras poblaciones de células en colectivos llamados comunidades. Es frecuente que las poblaciones de las comunidades interactúen entre sí de modo beneficioso o perjudicial. Si dos poblaciones interactúan de modo beneficioso, se mantendrán mejor juntas que separadas. En tales casos se habla de la naturaleza cooperativa de las poblaciones. En otros casos, dos poblaciones de un mismo hábitat pueden interaccionar de tal modo que se produce daño en una de las poblaciones. Si ocurre esa relación perjudicial, la población dañada se reducirá en número o será reemplazada, y si el efecto es demasiado severo puede ser completamente eliminada. En la imagen se ven dos ejemplos de comunidades microbianas: la foto de la izquierda corresponde a una comunidad densa de algas y cianobacterias en aguas superficiales de un lago rico en nutrientes. La microfotografía de la derecha corresponde a una comunidad bacteriana desarrollada en las profundidades de un lago, mostrando células de diferentes tamaños. El efecto de los organismos sobre sus hábitats. En un hábitat, los seres vivos también interaccionan con el entorno físico y químico de dicho hábitat. Los hábitats difieren mucho en cuanto a características físicas y químicas y un hábitat favorable para el crecimiento de un microorganismo puede resultar nocivo para otro. Por tanto, la comunidad microbiana que podemos preciar en un hábitat dado está en gran medida determinada por las características físicas y químicas de tal medio. Además, los microorganismos pueden modificar las condiciones físicas y químicas de su entorno. Al realizar los procesos metabólicos los microorganismos extraen nutrientes del medio y los usan para hacer nuevas células. Al mismo tiempo, excretan al medio los productos de desecho de su metabolismo. Por consiguiente, a los largo del tiempo, el medio cambia gradualmente debido a los procesos vitales. Un ecosistema es el colectivo que forman los organismos vivos junto con los constituyentes físicos y químicos de su medio. Como las células microbianas aisladas son demasiado pequeñas para ser percibidas a simple vista, nuestro conocimiento de los microorganismos en la naturaleza debe empezar con estudios en que usamos el

7 7 microscopio. El examen al microscopio de materiales naturales tales como suelo, barro, agua, alimento deteriorado, excreciones corporales humanas y otro material vivo o muerto, revela que las muestras están llenas de células microbianas. Aunque tales células diminutas parecen carecer de importancia, podemos decir que los microorganismos son pequeños pero poderosos. Si bien una célula individual no puede, por sí sola, originar un efecto perceptible sobre un hábitat, esa célula puede ser capaz de multiplicarse rápidamente y dar lugar a un número enorme de descendientes que causan entonces un efecto importante sobre el hábitat. Uno de los atributos más importantes e impresionantes de los microorganismos es su rápido crecimiento (multiplicación), pues no permanecen mucho tiempo como células únicas y pueden originar poblaciones que cambian de modo significativo las propiedades de un hábitat. En consecuencia, aunque los microorganismos parecen ocupar nichos irrelevantes en la naturaleza, son componentes muy importantes de los ecosistemas y tienen efectos importantes sobre las plantas y los animales superiores. Cultivo de microorganismos en el laboratorio. Aunque podemos tener una idea de la apariencia de los microorganismos por estudios microscópicos de un hábitat natural, sus características se pueden estudiar mejor obteniéndolos en cultivo puro. Un cultivo puro o axénico es un cultivo que contiene solo una clase de microorganismo. Para obtener un cultivo puro debemos ser capaces de cultivar el organismo en el laboratorio. Esto requiere que le suministremos los nutrientes adecuados y las condiciones ambientales que le permitan crecer. Es también esencial que evitemos que entren en el cultivo otros microorganismos. Tales organismos no deseados, llamados contaminantes, están por todas partes y la técnica microbiológica se centra precisamente en evitar esos contaminantes. Una vez que se ha aislado un cultivo puro se pueden luego establecer las condiciones para estudiar su bioquímica, su fisiología, su genética y otras características. Medios de cultivo. Qué condiciones requiere el crecimiento microbiano? Los microorganismos se cultivan en agua que contiene los nutrientes apropiados que hemos añadido. La solución acuosa con los nutrientes necesarios se denomina medio de cultivo. Los nutrientes que están presentes en el medio de cultivo proporcionan a la célula microbiana los ingredientes requeridos para que produzcan más células como ella misma. Además de una fuente de energía, que puede ser un compuesto orgánico o inorgánico, o luz, un medio de cultivo debe tener una fuente de carbono y de nitrógeno junto a otros nutrientes necesarios. Los medios de cultivo se pueden preparar para ser usados en estado líquido o como geles semisólidos. Un medio de cultivo líquido puede pasar a estado semisólido por adición de un agente solidificante, que normalmente es el agar. Los medios de cultivo con agar se disponen en cajas circulares de vidrio o plástico, con tapadera, que se llaman placas de Petri, donde las células microbianas pueden crecer y formar masas visibles denominadas colonias. Técnica aséptica. Antes de proceder a realizar un cultivo de microorganismos se debe considerar cómo evitar los contaminantes. Los microorganismos se encuentran por todas partes y, debido a su pequeño tamaño, se dispersan fácilmente por el aire y las superficies. Por consiguiente, se debe esterilizar el medio de cultivo inmediatamente después de su preparación para eliminar los microorganismos que lo contaminan; esto se hace normalmente por calor. Pero es también importante tomar las debidas precauciones durante el manejo posterior de un medio de cultivo estéril para lograr excluir de él todos los microorganismos excepto el que deseamos. Así, hay que tener presente que otros materiales que entren en contacto con el medio de cultivo estéril deben a su vez estar estériles. La técnica usada para evitar contaminantes durante la manipulación de cultivos y de medios de cultivo estériles se llama técnica aséptica. Es necesario dominarla para manejarse en un laboratorio de microbiología, y constituye uno de los primeros métodos que el microbiólogo en ciernes tiene que aprender. Los contaminantes aéreos constituyen el problema más común ya que el aire siempre contiene partículas de polvo que generalmente contienen comunidades de microorganismos. Cuando los recipientes se abren, deben ser manejados de tal modo que el aire cargado de contaminantes no entre en ellos. La transferencia aséptica de un cultivo desde un tubo a otro, por ejemplo, se realiza normalmente con un asa de cultivo o una aguja que ha sido previamente esterilizada por calentamiento a la llama. Los cultivos en los que ha habido crecimiento pueden también ser transferidos a la superficie de placas de medio con agar, donde se forman colonias mediante el crecimiento y división de células aisladas. La selección y extensión de una colonia aislada es un método muy importante de obtener cultivos puros o axénicos a partir de comunidades microbianas que contienen muchos organismos diferentes.

8 El impacto de los microorganismos en las actividades humanas. Uno de los objetivos del microbiólogo es comprender cómo funcionan los microorganismos y, a través de ese conocimiento, diseñar estrategias para incrementar los beneficios de la acción microbiana y disminuir sus riesgos. Los microbiólogos han tenido mucho éxito en la realización de tales metas, y la microbiología ha desempeñado un papel destacado en la mejora de la salud y el bienestar humano. Los microorganismos como agentes de enfermedad. A comienzos del siglo XX, la mayor parte de las muertes se debían a enfermedades infecciosas; en la actualidad, tales enfermedades han pasado a segundo plano. El control de las enfermedades infecciosas ha sido el resultado de un profundo conocimiento de los procesos de enfermedad, de la mejora de las prácticas sanitarias y del descubrimiento y uso de agentes antimicrobianos. La microbiología tuvo sus orígenes como ciencia en este tipo de estudios sobre enfermedades. No obstante, aunque ahora vivimos en un mundo donde muchos microorganismos patógenos están controlados, para el individuo que muere lentamente del síndrome de la inmunodeficiencia adquirida (SIDA), para el paciente de cáncer, cuyo sistema inmune está deteriorado a causa del tratamiento con fármacos anticancerosos, o para el individuo infectado con un patógeno multirresistente, resulta evidente que los microorganismos pueden ser todavía una amenaza para la supervivencia. Esas situaciones trágicas aparecen con escasa frecuencia en las estadísticas sanitarias, pero no por ello dejan de causar preocupación. Además, las enfermedades microbianas constituyen todavía una de las principales causas de muerte en muchos países en desarrollo. La erradicación de la viruela del mundo ha sido un brillante triunfo de la ciencia médica, pero todavía hay millones que mueren al año de otras enfermedades como la malaria, la tuberculosis, el cólera, la enfermedad del sueño o enfermedades diarreicas severas. Por tanto, los microorganismos constituyen aún una amenaza seria para la existencia humana. Pero, por otra parte, debemos resaltar que la mayor parte de los microorganismos no son perjudiciales para el hombre. De hecho, la mayor parte de ellos no representa una amenaza en absoluto y, por el contrario, son en realidad beneficiosos porque los procesos que llevan a cabo tienen un valor inmenso para la sociedad humana. Los microorganismos desarrollan un papel beneficioso incluso en la industria sanitaria. Por ejemplo, la industria farmacéutica descansa en gran medida en la producción de antibióticos a gran escala por microorganismos. Muchos otros productos farmacéuticos derivan también, al menos en parte, de las actividades de los microorganismos. Los microorganismos y la agricultura. Todo nuestro sistema de agricultura depende en muchos aspectos de las actividades microbianas. Muchas de las cosechas que obtenemos son de plantas pertenecientes a las leguminosas, que viven estrechamente asociadas con unas bacterias especiales que forman en sus raíces estructuras llamadas nódulos. En estos nódulos radiculares, el nitrógeno atmosférico (N2) se convierte en compuestos nitrogenados que las plantas pueden usar para crecer. De este modo, las actividades de las bacterias de los nódulos radiculares reducen la necesidad de costosos fertilizantes para las plantas. Gran importancia tienen también los microorganismos que son esenciales en el proceso de la digestión en animales rumiantes, como vacas y ovejas. Esos animales tienen un órgano digestivo especial llamado rumen donde los microorganismos llevan a cabo el proceso digestivo. Sin estos microorganismos, la producción en algunas granjas sería prácticamente imposible. Los microorganismos también desempeñan funciones de importancia crítica en el reciclaje de nutrientes que son importantes para los vegetales, particularmente en lo que se refiere al carbono, nitrógeno y azufre. Las actividades microbianas en el suelo y en las aguas transforma estos elementos a formas que son fácilmente tomadas por las plantas. Además de beneficios, los microorganismos pueden causar también efectos nocivos sobre la agricultura. Las enfermedades de vegetales debidas a microorganismos tienen consecuencias económicas importantes. Los microorganismos y la industria de alimentos. Los alimentos, una vez producidos, deben ser distribuidos de modo saludable a los consumidores. Los microorganismos desempeñan papeles importantes en la industria alimentaria. Hay que tener en cuenta que cada año se pierden enormes cantidades de dinero debido al deterioro de los alimentos. Las industrias de alimentos envasados, alimentos congelados y alimentos secos se dedican a preparar alimentos de modo que no sufran deterioro por microorganismos. Sin embargo, no todos los microorganismos tienen efectos perjudiciales sobre los alimentos. Existen productos lácteos, como queso, yogurt y suero de leche, que son productos de alto valor económico, en cuya manufacturación interviene parcialmente alguna actividad microbiana. Muchos artículos de panadería se hacen usando levadura. Incluso productos tan omnipresentes en nuestra sociedad como las bebidas alcohólicas se basan también en las actividades de las levaduras. 8

9 9 Todas estas aplicaciones de los microorganismos en la alimentación y la agricultura son de origen antiguo, pero la microbiología no se ha quedado anclada en el pasado. Consideremos, por ejemplo, la contribución de los microorganismos a las bebidas gaseosas. El principal azúcar de muchos refrescos es la fructosa, que se produce del almidón de maíz por actividad microbiana. El edulcorante artificial aspartamo de algunos refrescos dietéticos es una combinación de dos aminoácidos, ambos producidos microbiológicamente. Finalmente, el ácido cítrico, que se añade a muchos refrescos para darles sabor ácido, se produce por un hongo en un proceso industrial a gran escala. Microorganismos, energía y medio ambiente. Nuestra compleja sociedad industrial es dependiente de la energía, y aquí también los microorganismos desempeñan papeles importantes. La mayor parte del gas natural (metano) es un producto de la acción bacteriana, y su formación es debida a las bacterias metanogénicas. Se recolecta en todo el mundo en enormes cantidades como combustible primario. Otros cuantos productos minerales y energéticos son también el resultado de actividades microbianas, pero de mayor interés es la relación de los microorganismos con la industria del petróleo. El petróleo crudo está sometido al ataque microbiano y tanto la perforación como la recuperación y el almacenaje del petróleo crudo debe hacerse bajo condiciones que reduzcan al mínimo el daño causado por los microorganismos. Durante el siglo XXI, la intensa actividad humana dará como resultado el consumo completo de todos los combustibles fósiles disponibles y por ello debemos buscar nuevos métodos para hacer frente a las necesidades energéticas de la sociedad. En el futuro, los microorganismos pueden constituir importantes fuentes alternativas de energía. Los microorganismos fototróficos pueden captar energía luminosa y convertirla en producción de biomasa, es decir, energía almacenada en organismos vivos. La biomasa microbiana y los materiales de desecho existentes, como los desperdicios domésticos, los excedentes de cosechas y los residuos animales, pueden ser convertidos luego en "biocombustibles", tales como metano y metanol, por otros microorganismos. Los microorganismos también pueden ser utilizados para ayudar a disminuir la polución creada por las actividades humanas, un proceso que se denomina biorremediación. Se han aislado de la naturaleza varios microorganismos que consumen vertidos de petróleo, solventes y otras sustancias tóxicas que polucionan el ambiente, tanto directamente en el sitio mismo del vertido como después de que los materiales tóxicos hayan difundido por los suelos o alcanzado las aguas subterráneas. La gran diversidad de microorganismos que hemos señalado antes, poseen muchos recursos genéticos para limpiar el medio ambiente y, en la actualidad, este área está siendo objeto de intensa investigación. El campo de la biotecnología ha contribuido a tal esfuerzo desarrollando métodos par ala modificación genética de microorganismos naturales a fin de convertirlos en mejores agentes de biorremediación. Microorganismos y el futuro. La relación anterior de beneficios de los microorganismos es sólo el principio. Una de las nuevas áreas más excitantes de la microbiología es la biotecnología. En sentido amplio, la biotecnología contempla el uso de microorganismos en procesos industriales a gran escala, pero hoy en día entendemos por biotecnología la aplicación de procedimientos genéticos para crear nuevos microorganismos capaces de sintetizar productos específicos de alto valor comercial. La biotecnología depende en gran medida de la ingeniería genética, una disciplina que se centra en la manipulación artificial de genes y sus productos. Los genes de origen humano, por ejemplo, se pueden escindir en trozos, modificar, alargar o acortarse, usando microorganismos y sus enzimas como herramientas moleculares precisas y sofisticadas. Resulta posible hacer incluso genes completamente artificiales usando técnicas de ingeniería genética. Una vez que un gen deseado se ha seleccionado o creado, puede insertarse en un microorganismo donde se reproducirá y fabricará el producto génico deseado. Por ejemplo, la insulina humana, una hormona que se encuentra en cantidades muy bajas en personas que sufren la enfermedad denominada diabetes, se produce ahora microbiológicamente con el gen de la insulina humana introducido en un microorganismo. La abrumadora influencia de los microorganismos en la sociedad humana resulta clara. Tenemos muchas razones para contemplar a los microorganismos y sus actividades. Como dijo uno de los fundadores de la microbiología, el eminente científico francés Louis Pasteur, "el papel de lo infinitamente pequeño en la naturaleza es infinitamente grande". Breve historia de la Microbiología. Aunque durante mucho tiempo se sospechó la existencia de criaturas demasiado pequeñas para ser percibidas a simple vista, su descubrimiento estuvo relacionado con la invención del microscopio. En 1664

10 10 Robert Hooke describió los cuerpos fructíferos de mohos (células eucarióticas), pero la primera persona que vio microorganismos con detalle fue el holandés Antonie van Leeuwenhoek quien, aficionado a construir microscopios, utilizó microscopios simples fabricados por él mismo. Comparados con los de hoy, los microscopios de Leeuwenhoek eran bastante primitivos pero mediante cuidadosa manipulación y un buen enfoque fue capaz de ver microorganismos tan pequeños como los procariotas. Describió sus observaciones en una serie de cartas dirigidas a la Royal Society de Londres, que las publicó en versión inglesa. Realiza dibujos de algunos de sus "minúsculos animálculos". Sus observaciones fueron confirmadas por otros investigadores, pero los avances en la comprensión de la naturaleza e importancia de estos diminutos seres fueron muy lentos. En el siglo XIX se pudo disponer de microscopios muy mejorados, ampliándose su uso y distribución. A lo largo de su historia, la microbiología logró los mayores adelantos cuando se perfeccionaron los microscopios, pues éstos permitieron a los científicos penetrar más profundamente en los misterios de la célula. La Microbiología como ciencia no se desarrolló hasta la última parte del siglo XIX. Este largo retraso se debe a que, además del microscopio, fue necesario idear otras técnicas básicas para el estudio de los microorganismos. Durante el siglo XIX la investigación en torno a dos preguntas inquietantes favoreció el desarrollo de estas técnicas y estableció las bases de la ciencia microbiológica: (1) Existe la generación espontánea? (2) Cuál es la causa de las enfermedades contagiosas? A fines de dicho siglo ambas preguntas fueron contestadas y la Microbiología se estableció firmemente como una ciencia independiente en desarrollo. Pasteur y la derrota de la generación espontánea. La idea básica de la generación espontánea puede comprenderse fácilmente. El alimento se pudre si permanece durante cierto tiempo a la intemperie. Cuando este material putrefacto se examina al microscopio se encuentra que está plagado de bacterias. De dónde vienen estas bacterias que no se ven en el alimento fresco? Algunos pensaban que provenían de semillas o "gérmenes" que llegaban al alimento a través del aire, mientras que otros opinaban que se originaban espontáneamente a partir de material inerte. La generación espontánea implica que la vida puede surgir de algo inanimado, pero muchos no podían imaginar que algo tan complejo como una célula viva pudiera originarse de modo espontáneo de sustancias inertes. El adversario más ferviente de la generación espontánea fue el químico francés Louis Pasteur, cuyo trabajo sobre este problema fue exacto y convincente. Pasteur demostró en primer lugar que en el aire había estructuras que se parecían mucho a los microorganismos encontrados en el material putrefacto. Esto lo logró pasando aire a través de filtros de algodón pólvora (piroxilina), cuyas fibras retenían las partículas sólidas. Después de disolver los filtros con una mezcla de alcohol y éter, las partículas que habían sido atrapadas se recogían en el fondo del líquido y se examinaban al microscopio. Pasteur descubrió que el aire normal contiene constantemente una diversidad de células microbianas que son indistinguibles de las que se encuentran en mucha mayor cantidad en los materiales en putrefacción. Por tanto, concluyó que los organismos encontrados en tales materiales se originaban a partir de microorganismos presentes en el aire. Además, postuló que dichas células en suspensión se depositan constantemente sobre todos los objetos. Si esta conclusión era correcta, entonces no debería estropearse un alimento tratado de tal modo que todos los organismos que lo contaminaran fueran destruidos. Pasteur empleó el calor para eliminar los contaminantes, pues se conocía que el calor destruye con efectividad los organismos vivos. De hecho, otros investigadores ya habían mostrado que si una solución de nutrientes se introducía en un matraz de vidrio, se sellaba y se calentaba luego a ebullición, nunca se descomponía. Los defensores de la generación espontánea criticaban tales experimentos argumentando que se necesitaba aire fresco para la generación espontánea y que el aire dentro del matraz cerrado se modificaba por el calentamiento de tal manera que no era capaz de permitir la generación espontánea. Pasteur superó esta objeción de modo simple y brillante construyendo un matraz en forma de cuello de cisne, que ahora se designa corno un matraz de Pasteur. En tales recipientes los materiales en putrefacción se podían calentar hasta ebullición; luego, cuando el matraz se enfriaba, el aire podía entrar de nuevo, pero la curvatura del cuello del matraz evitaba que el material particulado, las bacterias y otros microorganismos, alcanzasen el interior del matraz. El material esterilizado en tal recipiente no se descomponía y no aparecían microorganismos mientras el cuello del matraz no contactara con el líquido estéril. Sin embargo, bastaba con que el matraz se inclinara lo suficiente como para permitir que el líquido estéril contactara con el cuello, para que ocurriera la putrefacción y el líquido se llenara de microorganismos. Este simple experimento bastó para aclarar de un modo efectivo la controversia acerca de la generación espontánea.

11 11 Eliminar todas las bacterias o microorganismos de un objeto es un proceso que ahora denominamos esterilización. Los procedimientos que usaron Pasteur y otros investigadores fueron eventualmente mejorados y aplicados a la investigación microbiológica. La superación de la teoría de la generación espontánea condujo por tanto al desarrollo de procedimientos eficaces de esterilización sin los cuales la microbiología no podría haberse desarrollado como ciencia. La ciencia de los alimentos, por otra parte, está en deuda con Pasteur pues sus principios son los que se aplican en el envasado y conservación de muchos alimentos. Las endosporas. Aunque Pasteur tuvo éxito en la esterilización de sustancias por simple ebullición, algunos investigadores encontraron circunstancias en las que la ebullición era insuficiente. Ahora sabemos que este fracaso era debido a la presencia en algunos materiales de bacterias que forman estructuras excepcionalmente termorresistentes llamadas endosporas. El trabajo inicial sobre las endosporas se debe a dos hombres: John Tyndall en Inglaterra y Ferdinand Cohn en Alemania. Ambos observaron que algunas preparaciones, como los jugos de frutas usados por Pasteur eran relativamente fáciles de esterilizar en tan sólo cinco minutos de ebullición, mientras que otras no se esterilizaban ni aun usando períodos de calentamiento más largos, a veces de varias horas. Las infusiones de heno eran llamativamente difíciles de esterilizar. Además, si se introducía heno en el laboratorio, incluso las soluciones de azúcar no podían esterilizarse con seguridad aunque se emplearan horas de ebullición. Cohn efectuó detalladas observaciones microscópicas y descubrió la existencia de endosporas dentro de las células de cultivos viejos de especies de Bacillus. Cohn y otro científico alemán, Robert Koch, aplicaron esta observación al estudio de enfermedades, como se comentará más adelante. Las endosporas bacterianas son las estructuras vivas conocidas más resistentes al calor, y la mayor parte de los métodos de esterilización están diseñados para destruir estas esporas. Pasteur consiguió otros muchos éxitos en microbiología y medicina. Entre los principales destaca el desarrollo de vacunas para enfermedades como el carbunco, el cólera aviar y la rabia, durante el período de 1880 a Estos avances médicos y veterinarios no sólo tuvieron importancia por sí mismos, sino que permitieron que arraigara el concepto de la etiología microbiana de muchas enfermedades cuyos principios estaban siendo desarrollados, por entonces, por otro científico contemporáneo de Pasteur, Robert Koch. Revisamos a continuación este período que ha sido tan importante en la historia de la microbiología. Koch y la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. La demostración de que los microorganismos podían causar enfermedades proporcionó un gran impulso al desarrollo de la ciencia de la microbiología. En realidad, ya en el siglo XIX se pensaba que se podía transmitir algo de una persona enferma a una sana para inducir en esta última la enfermedad de la primera. Muchas enfermedades parecían diseminarse por la población y se llamaban contagiosas; y el desconocido agente que causaba la diseminación fue a su vez llamado el contagio. Tras el descubrimiento de los microorganismos, se aceptaba más o menos que estos organismos podían ser responsables de enfermedades, pero faltaban pruebas. Los descubrimientos de Ignaz Semmelweis y Joseph Lister suministraron algunas evidencias sobre la importancia de los microorganismos como causa de enfermedades en el hombre, pero la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas no fue claramente concebida y probada experimentalmente hasta el trabajo del médico Robert Koch. En su trabajo inicial, publicado en 1876, Koch estudió el carbunco*, una enfermedad del ganado que en ocasiones también afecta al hombre. La enfermedad está causada, por una bacteria formadora de endosporas que llamamos Bacillus anthracis, y la sangre de un animal con carbunco está llena de células de esta gran bacteria. En sus estudios sobre el carbunco, Koch utilizó el ratón como animal experimental y como entonces no existían suministradores comerciales del ratón blanco de laboratorio usaba ratones grises domésticos que cazaba en un establo cercano. (* No deben confundirse carbunco y ántrax, ya que se trata de dos enfermedades con distinta etiología, aunque ambas sean denominadas en inglés anthrax. El agente etiológico del carbunco es Bacillus anthracis, mientras que el del ántrax es Staphylococcus aureus.) Mediante cuidadosos estudios microscópicos Koch puso de manifiesto que la bacteria estaba siempre presente en la sangre de los animales que presentaban la enfermedad. Sin embargo, la mera asociación de la bacteria con la enfermedad no demostraba realmente que la bacteria fuera la causa de la enfermedad; podría ocurrir que fuera un efecto de la enfermedad. Por eso, Koch demostró que era posible tomar una pequeña cantidad de sangre de un ratón enfermo, inyectarla en un segundo ratón y provocar en éste la enfermedad y la muerte. Tomando sangre de este segundo animal e inyectándola en otro obtenía de nuevo los síntomas característicos de la enfermedad. Repitiendo así el proceso hasta 20 veces demostró que la bacteria causaba

12 12 el carbunco: el vigésimo ratón murió tan rápidamente como el primero y en cada caso Koch demostró por microscopía que la sangre del animal contenía gran cantidad de la bacteria formadora de endosporas. Koch llevó este experimento aún más lejos. Demostró también que la bacteria podía ser cultivada fuera del animal en líquidos nutritivos y que, incluso después de muchas transferencias o resiembras de cultivo, la bacteria podía aún causar la enfermedad cuando se reinoculaba a un animal. Es decir, la bacteria de un animal enfermo y la mantenida en cultivo inducían los mismos síntomas de enfermedad tras su inoculación. Basándose en éste y otros experimentos Koch formuló los siguientes criterios, que en la actualidad reciben el nombre de postulados de Koch, para demostrar que un tipo concreto de microorganismos causa una enfermedad específica: 1. El organismo debe estar siempre presente en los animales que sufran la enfermedad y no en individuos sanos. 2. El organismo debe ser cultivado en cultivo axénico puro fuera del cuerpo del animal. 3. Tal cultivo, cuando se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad. 4. El organismo debe ser reaislado de estos animales experimentales y cultivado de nuevo en el laboratorio, tras lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el microorganismo original. Estos postulados no sólo proporcionaron un medio para demostrar que organismos específicos originan enfermedades específicas sino que supusieron un enorme estímulo para el desarrollo de la Microbiología resaltando la importancia del empleo de los cultivos axénicos (puros) en el laboratorio. Usando los postulados de Koch como guía, otros investigadores revelaron posteriormente la causa de muchas enfermedades importantes del hombre y los animales. Estos descubrimientos, a su vez, condujeron al establecimiento de tratamientos adecuados para la prevención y cura de muchas enfermedades infecciosas, ampliándose así las bases científicas de la medicina clínica. Koch y los cultivos axénicos (puros). Como se ha indicado, para estudiar adecuadamente las actividades de un microorganismo, como puede ser el caso de un microorganismo causante de una enfermedad, se debe conocer con seguridad que es el único que está presente en un cultivo. En otras palabras, el cultivo debe ser axénico o puro. Cuando se trata de objetos tan pequeños como los microorganismos asegurar la pureza no es una tarea fácil, ya que incluso una diminuta muestra de sangre o secreción de un animal puede contener varios tipos de microorganismos que pueden crecer luego juntos en cultivo. Koch resaltó la importancia de los cultivos axénicos y desarrolló varios métodos ingeniosos para obtenerlos, el más útil de los cuales es el que se basa en el aislamiento de colonias individuales sobre medios sólidos. Koch observó que cuando se exponía al aire la superficie de algún nutriente sólido, como una rebanada de patata, y luego se incubaba, se desarrollaban colonias bacterianas que exhibían formas y colores característicos. Dedujo que cada colonia se originaba a partir de una única célula bacteriana que había caído sobre la superficie, había encontrado los nutrientes apropiados y había empezado a dividirse. Debido a que la superficie sólida evitaba que la bacteria difundiera, toda la descendencia de la célula inicial permanecía junta y, cuando se alcanzaba un número suficiente de organismos, la masa microbiana llegaba a ser visible a simple vista. Además, supuso que las colonias con tamaños y colores diferentes derivaban de tipos diferentes de microorganismos. Cuando las células de una colonia aislada se dispersaban por una superficie fresca aparecían muchas colonias, cada una de las cuales tenía la misma forma y color que la colonia original. Koch se dio cuenta de que este descubrimiento constituía un método muy simple de obtener cultivos axénicos: encontró que cuando se extendían cultivos mixtos sobre superficies sólidas conteniendo nutrientes, las células individuales podían quedar lo suficientemente separadas como para que las colonias originadas no se mezclaran. Muchos microorganismos eran incapaces de crecer sobre rebanadas de patata, de modo que ideó medios semisólidos en los que usaba como agentes solidificantes la gelatina, y más tarde el agar. Hoy en día, el agar es el principal agente usado para solidificar medios de cultivo. Es importante destacar que la importancia de los postulados de Koch va más allá de la mera identificación de organismos causantes de determinadas enfermedades. La conclusión esencial es que el estudio de los cultivos axénicos revela que organismos específicos tienen efectos específicos. Este principio de que los diferentes organismos tienen actividades biológicas peculiares fue trascendental para establecer la microbiología como una ciencia biológica independiente. Debido a las importantes contribuciones de Koch, a comienzos del siglo veinte la bacteriología en particular y la microbiología en general ya estaban bien establecidas.

13 13 Koch y la tuberculosis. El mayor logro del trabajo de Robert Koch en el campo de la bacteriología médica está relacionado con la tuberculosis. Cuando Koch comenzó este estudio (1881) una de cada siete muertes en el hombre era debida a la tuberculosis. Aunque en aquel tiempo había una fuerte sospecha de que la tuberculosis era una enfermedad contagiosa, el organismo causal nunca había sido visto, ni en tejidos de enfermo ni en cultivo. Desde el principio de su trabajo sobre la tuberculosis el objetivo de Koch fue detectar el agente causal de la enfermedad y para ello empleó todos los métodos que había desarrollado previamente: microscopía, tinción de tejidos, aislamiento en cultivo puro e inoculación en animales. Como ahora sabemos, el "bacilo de la tuberculosis", Mycobacterium tuberculosis, es muy difícil de teñir debido a que posee grandes cantidades de lípido en su superficie. Pero Koch diseñó un procedimiento para teñir M. tuberculosis en muestras de tejidos usando azul de metileno alcalino junto a un segundo colorante (marrón bismark) que teñía sólo el tejido (este método de Koch fue el precursor de la tinción de Ziehl- Nielsen, usada hoy para teñir bacterias ácido-alcohol resistentes como M. tuberculosis). Usando su nuevo método de tinción, Koch observó las células bacilares de M. tuberculosis teñidas de azul en tejidos tuberculosos, quedando estos últimos teñidos de marrón claro. Sin embargo, por su trabajo anterior sobre el carbunco, Koch era consciente de que la simple identificación de un microorganismo asociado a la tuberculosis no bastaba; debía cultivar el microorganismo para demostrar que era la causa específica de la tuberculosis. La obtención de cultivos de M. tuberculosis no resultó fácil, pero finalmente Koch tuvo éxito al obtener colonias de este organismo sobre suero de sangre coagulada. Posteriormente usó agar, que acababa de ser introducido corno agente solidificante. Bajo condiciones óptimas M. tuberculosis crece muy lentamente en cultivo, pero la persistencia y la paciencia de Koch hicieron posible la obtención de cultivos puros de este organismo a partir de diversas fuentes de origen humano y animal. A partir de entonces fue relativamente sencillo obtener la prueba definitiva de que el organismo que había aislado era la verdadera causa de la tuberculosis. Los cobayas pueden ser fácilmente infectados con M. tuberculosis y posteriormente mueren de tuberculosis sistémica. Koch demostró que los cobayas enfermos contenían masas celulares de M. tuberculosis en sus tejidos y que los cultivos puros obtenidos de tales animales transmitían la enfermedad a animales sanos. Koch, por tanto, cumplió los cuatro criterios de sus famosos postulados y aclaró la causa de la tuberculosis. Koch anunció al mundo su descubrimiento del bacilo de la tuberculosis en una famosa conferencia pronunciada en Berlín en Las noticias sobre el descubrimiento de Koch se extendieron pronto por Inglaterra y Estados Unidos (el New York Times lo consideró "uno de los mayores descubrimientos científicos de nuestra era") y sus conclusiones en cuanto a la etiología de la tuberculosis se aceptaron rápidamente. Por su trabajo sobre la tuberculosis, que incluía no solo el descubrimiento del agente causal sino también el establecimiento de métodos para su tinción específica, y por la preparación de una sustancia denominada tuberculina, que resultó útil para el diagnóstico de la tuberculosis, Koch recibió en 1905 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina, justo cinco años antes de su muerte. Además de descubrir las causas del carbunco y la tuberculosis, Koch tuvo muchos otros triunfos en microbiología. Éstos incluyen el descubrimiento y aislamiento del agente etiológico del cólera, Vibrio cholerae, así como la importancia de la filtración de las aguas en el control de esta enfermedad, el desarrollo del concepto de "transportadores" de enfermedades y la publicación de las primeras microfotografías de bacterias. Sin duda, las contribuciones de Robert Koch al desarrollo de la microbiología moderna fueron múltiples y monumentales. La siguiente tabla muestra un resumen de algunos de los más importantes descubrimientos en el campo de la microbiología, desde la época de van Leeuwenhoek hasta el siglo XX. Desarrollo de la microbiología en el siglo XX. Durante el siglo XX la Microbiología ha experimentado un rápido desarrollo en dos direcciones distintas, una básica y otra aplicada. En su aspecto aplicado, los progresos de Koch condujeron a un extenso desarrollo de la microbiología médica y la inmunología en la primera parte del siglo, con el descubrimiento de muchas nuevas bacterias patógenas y el establecimiento de los principios por los que estos patógenos infectan el cuerpo y se hacen resistentes a las defensas del mismo. Otros avances prácticos se registraron en el campo de la microbiología agrícola, y ayudaron a comprender los procesos microbianos que son beneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas. Posteriormente en este siglo, los estudios sobre microbiología del suelo, aportaron descubrimientos sobre usos importantes de los microorganismos, tales como la formación de antibióticos y productos industriales. Esto abrió el campo de la microbiología industrial, especialmente después de la Segunda Guerra Mundial.

14 14 Finalmente, la microbiología del suelo ha suministrado bases sólidas para el estudio de los procesos microbianos que ocurren en cursos de aguas tales como lagos, ríos y océanos, estudios que se agrupan en el área de la microbiología acuática. Una rama de la microbiología acuática se centra en el estudio de procesos capaces de suministrar agua saludable a la sociedad humana. El manejo de los desperdicios que el hombre origina, especialmente los desechos domésticos, requiere el desarrollo de procesos de ingeniería a gran escala para el tratamiento de residuos, muchos de los cuales son microbianos. Por ello se ha desarrollado una microbiología sanitaria que es importante no solo para biólogos sino también para ingenieros con responsabilidad en este campo. Para suministrar agua potable adecuada se han establecido métodos que eliminan las bacterias peligrosas de las redes de agua, lo que constituye una verdadera microbiología del agua potable. Hacia finales del siglo XX, todas estas subdisciplinas que se han mencionado relacionadas con la microbiología aplicada se han unido en un área llamada ecología microbiana. Además de estos aspectos aplicados, que han fomentado tantos progresos en la sociedad humana, se han desarrollado ampliamente nuestros conocimientos sobre los principios básicos de la función microbiana. En la primera parte del siglo los avances más importantes en microbiología básica estuvieron relacionados con el descubrimiento de nuevas clases de bacterias y su adecuada clasificación (taxonomía bacteriana). La clasificación bacteriana requirió conocer los nutrientes que las bacterias consumen y los productos que forman, dando lugar al campo de la fisiología microbiana. Una parte de la fisiología que llegó a ser de vital importancia a medida que avanzaba el siglo fue el estudio físico y químico de la estructura de las bacterias, estudios que se integraron en el campo de la citología bacteriana. Otra rama importante de la fisiología fue el estudio de los enzimas bacterianos y de las reacciones químicas que dirigen, lo que en conjunto constituye la bioquímica bacteriana. El estudio de la herencia y las variaciones que las bacterias sufren a lo largo de su crecimiento y desarrollo representa otra área muy importante de investigación básica, que configura la disciplina de la genética bacteriana. Aunque a principios de siglo se tenían algunas ideas sobre variación microbiana hubo que esperar hasta el descubrimiento del intercambio genético en bacterias, alrededor de 1950, para que la genética bacteriana llegara a constituir realmente un intenso campo de estudio. La genética bacteriana, la bioquímica y la fisiología se desarrollaron fundamentalmente hacia mediados de siglo, permitiendo a principio de los años sesenta un conocimiento avanzado del DNA, RNA y la síntesis proteica. Surgió entonces la Biología molecular, debido en gran parte a estos estudios con bacterias. Otro avance importante del siglo veinte es el estudio de los virus. Aunque las enfermedades causadas por virus se descubrieron al final del siglo diecinueve, la verdadera naturaleza de los virus no se desveló hasta que no se alcanzó la segunda mitad del siglo veinte. Una gran parte de este trabajo comprende el estudio de virus que infectan bacterias, los llamados bacteriófagos. El descubrimiento de que la infección vírica era análoga a una transferencia genética requiere una importante consideración, pues permitió establecer relaciones entre virus y otros elementos genéticos a partir de investigaciones realizadas con bacteriófagos. Hacia los años setenta nuestros conocimientos sobre los procesos básicos de la fisiología, la bioquímica y la genética bacteriana avanzaron de tal modo que hicieron posible manipular experimentalmente el material genético de las células usando bacterias como instrumentos. Esos conocimientos también permitieron introducir material genético (DNA) de origen exógeno en bacterias y controlar su replicación y características. Esto llevó a la aparición de la biotecnología. Aunque la biotecnología tuvo inicialmente sus orígenes en estudios básicos, su aplicación al bienestar humano ha requerido la aplicación de principios fisiológicos y de microbiología industrial, sirviendo de ejemplo para ilustrar cómo la investigación básica y la aplicada avanzan juntas. También por esta época se pusieron a punto técnicas de secuenciación de ácidos nucleicos susceptibles de ser usadas en el establecimiento de relaciones filogenéticas entre procariotas, introduciendo así nuevos conceptos revolucionarios en el campo de la clasificación biológica y permitiendo comprender, por vez primera, la historia evolutiva de los microorganismos. Dirección internet.url http//es.geocites.com/joakinicu/apartado1c

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