Microbiología: Estudio de los Microorganismos

La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos. Este grupo muy diverso de seres microscópicos, predominantemente unicelulares, tiene una gran importancia social y económica debido a su papel como agentes beneficiosos, inocuos o perjudiciales para los seres vivos, y a su valor científico.

1. Los Microorganismos

Este grupo incluye organismos pertenecientes a diferentes taxones, pero todos comparten las siguientes características:

• Tamaño pequeño
• Alta relación superficie/volumen: eficiente intercambio de nutrientes.
• Metabolismo rápido
• Reproducción rápida: ciclos de vida sencillos.
• Gran capacidad de alterar el medio en el que viven, agotando nutrientes o acumulando productos de desecho.

2. Los Virus

Los virus son los organismos más pequeños y simples conocidos. Pertenecen a un nivel de organización subcelular, marcando la barrera entre lo vivo y lo inanimado. Son parásitos intracelulares obligados que alteran los mecanismos biosintéticos de la célula en su propio beneficio para reproducirse.

Son fragmentos de ácido nucleico cubiertos por una estructura proteica. Son elementos genéticos móviles, por lo que pueden causar enfermedades o producir cambios genéticos en la célula huésped.

Estructura de los Virus

Cuando el virus está fuera de la célula, es metabólicamente inerte. Su composición incluye:

• Genoma vírico: contiene ADN o ARN, pero nunca ambos. Consiste en una sola cadena, abierta o circular, que puede ser monocatenaria o bicatenaria. El genoma codifica enzimas para replicar su ácido nucleico o utiliza las enzimas celulares.
• Cubierta proteica o cápside: aloja el ácido nucleico, lo protege y tiene receptores para unirse y penetrar en las células (en caso de que los virus no posean membrana externa). La cápside está formada por unidades de proteína llamadas capsómeros, que se autoensamblan formando figuras simétricas y cristalizables. Al conjunto genoma + cápside se le denomina nucleocapsida.

Según la simetría de la cápside, los virus pueden ser:

• Helicoidales: con forma de bastoncillo al ensamblarse los capsómeros sobre la hélice del ácido nucleico (ej: virus del mosaico del tabaco, rabia, gripe).
• Icosaédricos: forma de poliedro de 20 caras triangulares (ej: virus de la polio).
• Virus complejos: con diferentes partes (ej: virus bacteriófagos, con cabeza icosaédrica con el ácido nucleico y cola que se contrae para inyectar el contenido).
• Virus envueltos: la nucleocapsida está rodeada de membranas lipoproteicas. Si no tienen esa membrana, son virus desnudos.

Algunos virus (ej: VIH, rabia, hepatitis) poseen una envoltura membranosa, fragmento de la membrana de la célula huésped que rodea a la nucleocapsida. Es una doble capa lipídica con glucoproteínas que reconocen la célula huésped e inducen la penetración del virus.

Cuando el virus está dentro de la célula, el ácido nucleico se integra en la célula hospedadora. El virus se reproduce, replicando su genoma y sintetizando capsómeros.

Origen de los Virus

Los virus son acelulares y marcan la barrera entre lo vivo y lo inanimado. Existen otras moléculas o estructuras acelulares que también pueden parasitar células:

• Priones: proteínas pequeñas con capacidad infecciosa (ej: prión responsable de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob).
• Transposones: genes que se desplazan de un sitio a otro del cromosoma.
• Viroides o viriones: pequeños ARN monocatenarios circulares con capacidad infecciosa (enfermedades vegetales).
• Provirus: fragmentos de ADN móviles, capaces de transportar genes entre células.
• Plásmidos: fragmentos de ADN bicatenario, en bacterias, que se pueden replicar independientemente del genoma bacteriano.

Hay dos hipótesis sobre el origen de los virus:

• Los virus eran células que perdieron sus estructuras hasta llegar a provirus, plásmidos o viroides.
• Son uno de los antecesores de las células que no llegaron a ser células.

Ciclo Reproductor de un Virus

El ciclo vital de un virus requiere una célula huésped de donde obtener materia y energía para sintetizar nuevos ácidos nucleicos y capsómeros. Dentro de los ciclos de reproducción vírica, podemos encontrar varias fases:

1. Fase de fijación o adsorción: las células hospedadoras tienen receptores específicos para los virus, uniéndose a la cápside o a las membranas externas de los virus.
2. Fase de penetración: los virus tienen tres mecanismos de penetración:
   • Los virus bacteriófagos originan un orificio en la pared bacteriana por donde inyectan el ADN al contraerse la cola del virus. La cápside queda fuera de la bacteria.
   • En virus desnudos, se introduce toda la cápside por penetración directa al perforar la membrana con enzimas, o por endocitosis al ser englobados por la célula.
   • En virus envueltos, la membrana externa de los virus se funde con la de la célula hospedadora al ser de la misma naturaleza.
   Cuando penetra, la cápside se descompone en capsómeros y el ácido nucleico queda dentro de la célula.
3. Fase de eclipse: no se puede detectar el virus dentro de la célula. Es una etapa muy activa donde el genoma vírico dirige el metabolismo celular para sintetizar los componentes víricos usando los recursos de la célula huésped. El material hereditario viral puede ser detectado como extraño y ser destruido. Según la duración de la fase de eclipse, hay dos tipos de ciclos víricos:
   • Ciclo lítico: el virus se multiplica masivamente, abre la célula hospedadora y se liberan al medio los nuevos virus (lisan la célula huésped). Ej: bacteriófago T4.
   • Ciclo lisogénico: el genoma vírico no comienza la multiplicación del virus. El virus entra en un estado de latencia, el cromosoma viral se integra en el celular o se queda en el citoplasma sin expresarse. Es un estado de provirus y la célula es una célula lisogénica. Esta célula puede multiplicarse junto con el cromosoma viral hasta que el provirus abandona el cromosoma celular y comienza un ciclo lítico.
   Este proceso puede relacionarse con alteraciones genéticas celulares (infecciones latentes, mutaciones, transformaciones cancerosas, recombinación y evolución de las especies). Ej: retrovirus, herpes.
4. Fase de ensamblaje: los capsómeros se ensamblan y forman la cápside con el ADN dentro y algunas enzimas (si las lleva).
5. Fase de liberación: los virus salen de la célula por dos mecanismos:
   • Gemación: llevan parte de la membrana celular. Lo realizan los virus envueltos.
   • Exocitosis o por agujeros hechos por las enzimas. Lo realizan los virus desnudos.
   La liberación puede causar la muerte celular (ciclo lítico). La liberación puede ser lenta sin lisar la célula (infección persistente). En los ciclos lisogénicos, como la reproducción está retrasada, se llama infección latente. Cuando una célula animal es infectada por un virus, puede formar proteínas llamadas interferones que se unen a la membrana de células sanas para que formen proteínas antivirales.

Clasificación de los Virus

Los criterios utilizados para clasificarlos son: el tipo de ácido nucleico, el tipo de cápside, la existencia o no de envolturas membranosas y el tipo de célula que parasita:

• Según el ácido nucleico: ARN monocatenario, ADN bicatenario.
• Según la cápside: helicoidal, complejo o icosaédrico.
• Según la existencia de envoltura: envueltos o desnudos.
• Según el tipo de célula que infecta: virus animal, virus vegetal y virus bacteriófago.

Un ejemplo importante de virus animal es el retrovirus: virus envueltos con dos moléculas idénticas de ARN monocatenario y con la enzima retrotranscriptasa (que pasa su ARN a ADN). Algunos causan cáncer; el virus del SIDA es un retrovirus. La retrotranscriptasa es una herramienta en la ingeniería genética; el ADN que forma se puede integrar en el genoma celular, abriendo la posibilidad de utilizarla para introducir genes deseados en una célula para la terapia génica.

3. Bacterias

Grupo abundante y heterogéneo de microorganismos procariotas del reino Moneras, con un tamaño de 1 a 10 μm. Según su forma, se reúnen en cuatro grupos:

• cocos: forma esférica
• bacilos: forma de bastón
• espirilos: forma de bastón espiralado
• vibrios: forma de coma

Estructura Bacteriana

Posee una estructura mucho más sencilla que la célula eucariota. Sus principales componentes son:

• Membrana plasmática: bicapa lipídica sin colesterol. Tiene invaginaciones llamadas mesosomas que pueden servir para intercambios, regeneración de la membrana, respiración celular, fotosíntesis, asimilación de nitrógeno atmosférico o duplicación de ADN.
• Pared celular bacteriana: envoltura rígida que soporta las altas presiones osmóticas. Según la composición de la pared, las bacterias son Gram positivas (G⁺) o Gram negativas (G^–). Ambas tienen mureína formada por el péptidoglucano que forma enlaces cruzados para dar resistencia. Según sean los enlaces cruzados tenemos:
  • Gram negativas: sobre el péptidoglucano hay una capa externa lipopolisacárida y proteica llamada membrana externa que parece biestratificada, dándoles mayor resistencia a agentes antibacterianos.
  • Gram positivas: son más sencillas y no tienen la membrana externa. Tienen ácidos teicoicos sobre el péptidoglucano.
  Las paredes, al tener proteínas, tienen carácter antigénico (pueden desencadenar una respuesta inmunitaria formando anticuerpos).
• Cápsula bacteriana: algunas bacterias, encima de la pared, tienen una capa viscosa de polisacárido. Algunas solo la desarrollan en condiciones adversas (desecación, presencia de células fagocíticas y anticuerpos), siendo más resistentes y patógenas.
• Flagelo bacteriano: prolongación filiforme para el desplazamiento. Varía su número y disposición. Tiene una estructura compleja muy diferente a las células eucariotas.
• Pelos bacterianos: filamentos superficiales, abundantes y huecos, sirven para fijarse a un sustrato, intercambiar moléculas o información genética (fimbrias o pili para conjugación bacteriana).
• Citosol: similar al de la célula eucariota, sin prácticamente orgánulos, pero con ribosomas 70S como los de las mitocondrias. Tienen inclusiones de reserva y vesículas gaseosas.
• ADN bacteriano: formado por una sola molécula circular bicatenaria muy plegada y unida a los mesosomas. También puede haber una o varias moléculas pequeñas de ADN, llamadas plásmidos. A la zona donde se encuentra condensado el material genético se le llama nucleoide.

Fisiología Bacteriana

• Funciones de relación bacteriana: dependiendo de las condiciones ambientales, las bacterias pueden responder con movimientos, variaciones metabólicas, adopción de formas de resistencia (quistes o endosporas). Permanecen en estado de vida latente hasta que pasan las condiciones adversas. Por eso son muy resistentes, incluso a la esterilización (ej: Clostridium botulinum).
• Funciones de nutrición bacteriana: son un grupo muy heterogéneo, colonizan todos los ambientes, con todos los tipos de metabolismos conocidos:
  • Bacterias autótrofas fotosintéticas (las cianobacterias desprenden oxígeno).
  • Bacterias fotoorganótrofas: usan materia orgánica (heterótrofas).
  • Bacterias autótrofas quimiosintéticas: oxidan la sustancia inorgánica.
  • Bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico: Azotobacter, Clostridium, Rhizobium (simbiontes con leguminosas) y algunas cianobacterias.
  • Bacterias quimioheterótrofas: se nutren de materia orgánica (parásitas, simbiontes o sapróbias).
  Las bacterias quimiolitotróficas y las sapróbias cierran los ciclos biogeoquímicos, son descomponedoras: pasan la materia orgánica a inorgánica, formando sales minerales que están nuevamente a disposición de los vegetales (bacterias del suelo).
• Función de reproducción de las bacterias: normalmente tienen reproducción asexual por bipartición. Además, poseen mecanismos parasexuales mediante los cuales intercambian material genético entre bacterias, aunque sean de distinta especie:
  • Transformación bacteriana: captura de ADN de otra bacteria libre en el medio.
  • Transducción bacteriana: transferencia de ADN por un vector (virus bacteriófago).
  • Conjugación bacteriana: se transfiere ADN de otra bacteria por los pili o fimbrias. Puede ocurrir recombinación genética, confiriéndoles variabilidad y habilidades adaptativas.

4. Microorganismos Eucariotas

Microorganismos con células eucariotas del reino Protoctista (protozoos y algas). También incluimos algunos hongos (levaduras, mohos y mohos viscosos).

a. Protozoos

Microorganismos eucariotas unicelulares sin pared celular, heterótrofos y generalmente móviles. Viven en medios húmedos y acuáticos de vida libre. Un grupo importante son los esporozoos (parásitos). Se alimentan de macromoléculas o de otros microorganismos que capturan. Muchos tienen cilios y flagelos como órganos de locomoción (ej: Trypanosoma, Paramecium, Plasmodium vivax), y algunos emiten pseudópodos. Se reproducen asexualmente (mitosis, gemación, división múltiple) y sexualmente por fusión de dos núcleos.

b. Algas

Organismos eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigénica. Su estructura celular corresponde a la célula eucariota vegetal (con pared celular, salvo alguna excepción, y plastos). Hay organismos unicelulares y pluricelulares, pero sin formar verdaderos tejidos. Las colonias pueden formar filamentos más o menos ramificados, más o menos aplanados. Viven en toda clase de medios, especialmente acuáticos. Se reproducen asexualmente por bipartición o forman esporas. Las algas unicelulares forman el fitoplancton, responsables de la mayor parte de la fotosíntesis en el agua, formando materia orgánica y produciendo gran cantidad de oxígeno. Algunas especies se reproducen asexualmente (bipartición, gemación o esporulación) y otras sexualmente; en algunos casos (rodofíceas) hay alternancia de generaciones haploides y diploides.

c. Hongos

Los hongos microscópicos son los mohos (multifilamentosos y pluricelulares) y las levaduras (unicelulares). Son eucariotas, unicelulares o pluricelulares con nutrición heterótrofa. Algunos tienen pseudotejidos formados por células dispuestas en filamentos llamados hifas. Las paredes de las hifas tienen el polisacárido quitina. Su reproducción es asexual por gemación o por esporas. Pueden ser saprofitos (producen putrefacciones y fermentaciones), parásitos (causan enfermedades) o simbiontes (con cianobacterias o algas formando líquenes; con plantas formando micorrizas). Tienen gran importancia económica por las fermentaciones (cerveza, pan: Saccharomyces) y por la cantidad de antibióticos que producen (Penicillium). Los mohos se reproducen asexualmente por esporas haploides y sexualmente por conjugación. Las levaduras se reproducen asexualmente por gemación y sexualmente por fusión de dos células haploides de distinta sexualidad.

5. Función de los Microorganismos en su Medio Natural

Aunque existen microorganismos en el aire (donde su actividad vital es mínima), llegan a él procedentes de dos medios fundamentales: el suelo y el agua.

• Suelo: la disponibilidad de agua y nutrientes son los factores limitantes más influyentes en la actividad microbiana del suelo. La población más numerosa es la de las bacterias, aunque también hay gran cantidad de mohos y, en la superficie, algas; los protozoos existen en menor proporción. La principal función de estos microorganismos en el suelo es la producción de cambios en la materia orgánica, originando compuestos nutritivos inorgánicos para los vegetales (microorganismos desintegradores y transformadores).
• Agua: abundan los microorganismos fotosintéticos (productores primarios de las cadenas tróficas) que constituyen el fitoplancton. En ocasiones, la población de microorganismos es tan extraordinaria que conduce al agotamiento del oxígeno del medio (eutrofización).

En el suelo y en el agua, los microorganismos intervienen activamente en los ciclos de la materia en los ecosistemas. Su papel en los ciclos biogeoquímicos es vital, ya que solo ellos son capaces de realizar dos funciones:

• Descomposición de la materia orgánica compleja en materia orgánica sencilla (descomponedores o desintegradores).
• Transformación (mineralización) de esta materia orgánica sencilla en materia inorgánica (transformadores).

La mineralización permite:

1. Incorporar materia inerte a la biosfera.
2. Poner a disposición de los organismos vegetales materia inorgánica utilizable.

6. Los Microorganismos como Agentes de Enfermedades Infecciosas

La mayoría de los microorganismos son inocuos. Muchos se han adaptado a las condiciones especiales de los tejidos de los animales, viviendo en su piel, en sus conductos digestivos o respiratorios (flora normal). Sin embargo, los microbios más conocidos son aquellos que producen enfermedades infecciosas en plantas, animales y humanos (microorganismos patógenos). El grado de patogenicidad se denomina virulencia y se mide por el número de microorganismos necesarios para desarrollar la enfermedad. Hay microorganismos que normalmente no son patógenos pero pueden serlo cuando disminuyen los mecanismos defensivos de un animal (microorganismos oportunistas).

El primer paso en una infección es la colonización de tegumentos y mucosas corporales, donde deben competir con otros microorganismos comensales. Los que superan esta fase producen las enfermedades más contagiosas. La entrada de microorganismos en el cuerpo del hospedador puede tener lugar a través de heridas, roturas microscópicas en las mucosas, picaduras de artrópodos, etc. Una vez dentro, los microbios tienen que reproducirse, ya sea en la lesión superficial o en un tejido específico al que son conducidos por vía linfática o sanguínea. En esta primera fase tienen que superar los mecanismos defensivos del hospedador (inflamación, detención en los ganglios linfáticos y eliminación de la sangre por acción de los fagocitos). Si lo consiguen, se desarrolla la enfermedad. El tiempo que transcurre desde que penetran hasta la manifestación de los síntomas se denomina periodo de incubación. Las infecciones pueden ser superficiales o sistémicas.

El crecimiento del número de células microbianas puede conllevar dos clases de peligro: competencia por nutrientes o daño directo sobre las células del hospedador y producción de toxinas. Las toxinas son sustancias venenosas de bajo peso molecular que pueden ser excretadas al medio (exotoxinas) o retenidas dentro de la célula (endotoxinas). Estas toxinas pueden provocar daños locales o causar lesión sistémica.

7. Biotecnología

La biotecnología es el conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales para obtener determinados productos comerciales o para realizar importantes transformaciones químicas. Se ocupa de procesos como la clonación, la terapia génica, la inseminación in vitro, la obtención de bebidas alcohólicas, etc. Aunque el término es moderno, reúne técnicas y métodos conocidos desde la antigüedad (fabricación del pan, mejora de razas de animales, obtención de plantas con mayor producción de frutos). El término biotecnología se comenzó a usar a finales de los años setenta, tras la aparición de la ingeniería genética, que se basa en la manipulación del material genético de las células. En la actualidad, los microorganismos han sido modificados para fabricar productos útiles que no producen de manera natural.

Biotecnología aplicada a la mejora del medio ambiente

Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver el problema de la contaminación ambiental. Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química de distintos ecosistemas. La ingeniería genética permite combinar las características de estos microorganismos para aumentar su eficacia o generar microbios recombinantes con nuevas características. Aunque muchos microorganismos diferentes juegan un papel esencial en los equilibrios ambientales, la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas actuales se realizan con ciertos tipos de bacterias. Algunas aplicaciones son:

• Eliminación de metales pesados.
• Eliminación de mareas negras.
• Obtención de energía no contaminante.
• Tratamiento de residuos urbanos e industriales.
• Tratamiento de la contaminación asociada a la industria del petróleo.
• Tratamiento de la contaminación producida por herbicidas, pesticidas e insecticidas.
• Depuración de aguas residuales.

Biotecnología aplicada a la mejora de la salud

La biotecnología tiene en la salud humana los siguientes campos de aplicación:

• Prevención de enfermedades hereditarias.
• Terapia génica.
• Producción de vacunas.
• Obtención de anticuerpos monoclonales e interferones.
• Producción de hormonas (ej: insulina obtenida a través de la bacteria Escherichia coli y hormona del crecimiento). Otras hormonas como la testosterona y progesterona se obtienen de la fermentación de ciertas levaduras.
• Producción de antibióticos y otros productos farmacéuticos (ej: vitamina B12 producida industrialmente a partir de bacterias y riboflavina producida por bacterias y hongos).

Biotecnología de los alimentos

El hombre desde la antigüedad ha obtenido productos alimenticios con la intervención de los microorganismos. Hoy día, gracias al conocimiento de sus características y metabolismo, son explotados industrialmente en la fabricación de numerosos alimentos y bebidas (ej: pan, queso, yogur, mantequilla, vinagre, vino, cerveza, encurtidos, proteínas para piensos domésticos y aminoácidos).