MICROBIOLOGIA

TEMA 1.1. ANTECEDENTES

1.1.1. DESARROLLO HISTÓRICO,

GENERALIDADES Y DESARROLLO HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA

Dr. Pedro F. Mateos

Departamento de Microbiología y Genética. Facultad de Farmacia. Universidad de Salamanca

DESARROLLO HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA

Microbiología, el estudio de los organismos microscópicos, deriva de 3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios (vida) y logos (ciencia) que conjuntamente significan el estudio de la vida microscópica.

Para mucha gente la palabra microorganismo le trae a la mente un grupo de pequeñas criaturas que no se encuadran en ninguna de las categorías de la pregunta clásica: ¿ es animal, vegetal o mineral ? Los microorganismos son diminutos seres vivos que individualmente son demasiado pequeños como para verlos a simple vista. En este grupo se incluyen las bacterias, hongos (levaduras y hongos filamentosos), virus, protozoos y algas microscópicas.

Normalmente tendemos a asociar estos pequeños organismos con infecciones, enfermedades como el SIDA, o deterioro de alimentos. Sin embargo, la mayoría de los microorganismos contribuyen de una forma crucial en el bienestar de la Tierra ayudando a mantener el equilibrio de los organismos vivos y productos químicos en nuestro medio ambiente: Los microorganismos de agua dulce y salada son la base de la cadena alimentaria en océanos, lagos y ríos; los microorganismos del suelo destruyen los productos de desecho e incorporan el gas nitrógeno del aire en compuestos orgánicos, así como reciclan los productos químicos en el suelo, agua y aire; ciertas bacterias y algas juegan un papel importante en la fotosíntesis, que es unproceso que genera nutrientes y oxígeno a partir de luz solar y CO2 siendo un proceso crítico para el mantenimiento de la vida sobre la Tierra; los hombres y algunos animales dependen de las bacterias que habitan en sus intestinos para

realizar la digestión y síntesis de algunas vitaminas como son la K y algunas del complejo B. Los microorganismos también tienen aplicaciones industriales ya que se utilizan en la síntesis de productos químicos como son acetona, ácidos orgánicos, enzimas, alcohol y muchos medicamentos. El proceso de producción de acetona y butanol por bacterias fue descubierto en 1914 por Chaim Weizmann, un polaco que trabajaba en Inglaterra para Winston Churchill. Cuando estalló la primera guerra mundial en agosto de ese año, la producción de acetona era esencial en el proceso de fabricación de las municiones, por lo que el descubrimiento de Weizmann jugó un papel determinante en el desarrollo de la guerra. Después de la guerra, rehusó todos los honores que le propuso el gobierno británico. Sin embargo, utilizó su influencia para que el gobierno británico ayudara a establecer el estado judío en Palestina. En 1949, Weizmann fue elegido el primer presidente de Israel. La industria alimentaria también usa microorganismos en la producción de vinagre, bebidas alcohólicas, aceitunas, mantequilla, queso, yogurt y pan. Además, las bacterias y otros microorganismos ahora pueden ser manipulados para producir sustancias que ellos normalmente no sintetizan. A través de esta técnica, llamada ingeniería genética, las bacterias pueden producir importantes sustancias terapéuticas como insulina, hormona de crecimiento humana e interferón.

Actualmente sabemos que los microorganismos se encuentran en todas partes; pero hace poco, antes de la invención del microscopio, los microorganismos eran desconocidos para los científicos. Miles de personas morían en las epidemias cuyas causas no se conocían. El deterioro de los alimentos no se podía controlar siempre y muchas familias enteras morían debido a que no existían vacunas y antibióticos disponibles para combatir las infecciones. Nosotros podemos hacernos una idea de como se han desarrollado nuestros actuales conceptos de microbiología repasando los acontecimientos históricos que han cambiado nuestras vidas.

Aunque los microorganismos se originaron hace aproximadamente 4.000 millones de años, la microbiología es relativamente una ciencia joven. Los primeros microorganismos se observaron hace 300 años y sin embargo pasaron unos 200 años hasta que se reconoció su importancia.

Primeras observaciones de los microorganismos (Leeuwenhoek y sus microscopios)

La existencia de los microorganismos no se conoció hasta la invención del microscopio. La primera persona en describir los microorganismos en detalle fue el

holandés Antony van Leeuwenhoek en 1684, a los cuales denominó animáculos. Leeuwenhoek examinó el agua de lluvia, de mar, de río, saliva y otras materias. Sin embargo, estas observaciones no condujeron a ninguna investigación acerca de las posibles actividades de los microorganismos, ni como agentes de fermentaciones ni de enfermedades infecciosas ya que el desarrollo de la química y de la medicina era demasiado primitivo.

Origen de los microorganismos (Teoría de la generación espontánea)

Una vez descubiertos los microorganismos por Leeuwenhoek se empezó a especular sobre el origen de estos animáculos. Se formaron dos escuelas. Una de ellas admitía la existencia de estas estructuras pero apoyaban la teoría que provenían de la descomposición de los tejidos de las plantas o animales (eran el resultados de la descomposición y no la causa). Los que apoyaban esta teoría creían que la vida se generaba a partir de matería no viva, proceso que se denominó abiogénesis. Básicamente era el concepto de la generación espontánea. Del otro lado estaba la teoría de la biogénesis. Los animáculos se originaban, como ocurre en formas de vida superiores, a partir de animáculos padres. Hasta que se rechazó la idea de la generación espontánea se tuvieron que realizar muchos experimentos que parecen simples hoy en día, pero que en aquellos momentos llevó más de 100 años resolver dicha controversia.

La idea de la generación espontánea se remonta a la cultura griega, los cuales creían que las ranas y gusanos crecían espontáneamente a partir del lodo. Incluso existían recetas: llenando una tinaja con trapos y colocándola en un sitio apartado durante semanas al final crecían ratones a partir de los trapos. En el siglo XVII el italiano Francesco Redi demostró en 1668 que los gusanos encontrados en la carne podrida eran las larvas que provenían de los huevos que previamente habían depositado en la carne las moscas y no el producto de la generación espontánea. Sin embargo una cosa eran los huevos de moscas y otra los microorganismos que sólo se podían ver con la ayuda del microscopio.

En 1745 John Needham hirvió trozos de carne para destruir los organismos preexistentes y los colocó en un recipiente abierto. Al cabo de un tiempo observó colonias de microorganismos sobre la superficie y concluyó que se generaban espontáneamente a partir de la carne. En 1769, Lazzaro Spallanzani repitió el experimento pero tapando los recipientes, no apareciendo las colonias, lo que contradecía la teoría de la generación espontánea. Pero Needham argumentó que el aire era esencial para la vida incluída la generación espontánea de microorganismos y este aire había sido excluido en los experimentos de Spallanzani.

Unos 100 años después, en 1836 Franz Schulze pasó el aire a través de unas soluciones ácidas fuertes hacia el interior de un recipiente con carne hervida. Al año siguiente Theodor Schwann pasó el aire a través de tubos calientes. Los microorganismos no aparecían en ningún caso ya que los microorganismos presentes en el aire habían sido aniquilados. Sin embargo, los que apoyaban la generación espontánea comentaban que el ácido y el calor alteraban el aire de tal manera que impedía la generación espontánea de los microorganismos. Sin embargo fue Louis Pasteur el que zanjó definitivamente la controversia en 1864 al utilizar matraces con un tubo largo y curvado llamados "cuello de cisne". El aire pasaba libremente a través del cuello, pero los microorganismos no aparecían en la solución ya que las partículas de polvo y microorganismos sedimentaban en el recodo del cuello. Estos experimentos de Pasteur promovieron el reconocimiento de la biogénesis. Posteriormente Pasteur empezó a estudiar el papel de los microorganismos en la producción de vino y como causa de enfermedades.

La fermentación como proceso biológico (Pasteur y el vino francés)

Sin duda desde la Prehistoria los hombres utilizan con provecho las fermentaciones. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos egipcios, así como representaciones gráficas en todo el Próximo Oriente atestiguan que el hombre recurría a la fermentación para fabricar bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Jesucristo. Al preparar el pan, vino, cerveza o sake, los egipcios, sumerios y todas las personas hasta mediados del Siglo XIX, empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, una familia de agentes biológicos muy originales: las levaduras. Son ellas las que realizan la fermentación alcohólica.

El papel de las levaduras como agentes fermentadores no fue reconocido hasta 1856 por Luis Pasteur. Las teorías científicas de esa época reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como compuestos químicos complejos, sin vida. Esta era la teoría mecanística liderada por los químicos alemanes von Liebig y Wöhler. Luis Pasteur, químico francés, propuso la teoría vitalística y demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas; durante dicha fermentación el azúcar presente en el mosto es convertido principalmente en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.

En el verano de 1856 M. Bigo, un fabricante de alcohol en la ciudad de Lille, en el norte de Francia, sufría repetidos fracasos en las fermentaciones de sus productos. En este proceso intervenía la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero una y otra vez el contenido de las tinajas se agriaba y al final en lugar de

alcohol, se obtenía una sustancia que despedía un olor parecido a la leche agria. Sucedió que el hijo de M. Bigo estudiaba en la Facultad de Ciencias cuyo decano era Pasteur. M. Bigo, a través de su hijo, preguntó a Pasteur si estaría dispuesto a investigar los fracasos que estaban ocurriendo con sus fermentaciones, a lo que Pasteur accedió iniciando el estudio en los laboratorios de la Facultad. En primer lugar sometió a análisis químico el contenido estropeado de las tinas llegando a la conclusión de que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de etanol. El siguiente paso fue el examen de los sedimentos de las tinas en las que la fermentación había sido satisfactoria y el de aquellas que habían fallado. La comparación de los dos sedimentos reveló una clara diferencia: en los sedimentos procedentes de las tinas que habían producido alcohol había levaduras; en los procedentes de las tinas productoras de ácido láctico se veían "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura" con lo que ya disponía de pruebas de que los productos de estas dos fermentaciones estaban específicamente asociados con el crecimiento de dos microorganismos morfológicamente distinguibles. Tomó muestras de los sedimentos de los dos tipos de fermentaciones y los inoculó en tubos que contenían azúcar como fuente de carbono; en el caso de los "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura" pudo reproducir la fermentación láctica y observar los diminutos glóbulos en el sedimento que aparecía en los tubos. La adición del sedimento de las tinas en las que se había producido alcohol, dió una típica fermentación alcohólica apareciendo en el fondo de los tubos glóbulos de levaduras.

En 1866, Pasteur publicó la obra titulada "Estudios sobre el vino, sus enfermedades, causas que las provocan. Nuevos procedimientos para la conservación y envejecimiento". Entre las mejoras aconsejadas había un método para aumentar la calidad de la conservación de los vinos consistente en calentarlos a una temperatura de 68° C durante 10 minutos y después enfriarlos rápidamente. Esta técnica ha venido a ser conocida como pasteurización y es ahora ampliamente utilizada en el tratamiento de la leche.

Descubrimiento de la función de los microorganismos como causantes de enfermedades (Koch y la bacteria del carbunco)

Ya en 1546 Girolano Fracastoro había sugerido que las enfermedades podían deberse a organismos tan pequeños que no podían verse y que eran transmitidos de una persona a otra. Sin embargo, el descubrimiento de que las bacterias pueden actuar como agentes específicos de las enfermedades infecciosas en los animales fue realizado a través del estudio del carbunco, infección grave de los animales domésticos que es transmisible al hombre. La demostración concluyente de la causa bacteriana o etiología del carbunco la proporcionó en 1876 Robert Koch, un médico rural alemán. Kosch empezó a estudiar el mundo microbiano después de que su mujer le regalara por su 28 cumpleaños un microscopio. Seis años después Koch anunció al

mundo que había encontrado la bacteria del carbunco (Bacillus anthracis). Posteriormente él y sus colaboradores descubrieron las bacterias que causan la tuberculosis y el cólera.

Esta serie de experimentos se ajustaban a los criterios necesarios para poder establecer la relación causal entre un organismo específico y una enfermedad específica. Estos criterios se conocen como los POSTULADOS DE KOCH:

1.- El microorganismo debe estar presente en todos los casos de la enfermedad.

2.- El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse en cultivo puro en el laboratorio.

3.- La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.

4.- El microorganismo debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.

El descubrimiento posterior de los virus (Dimitri Ivanovski en 1892; el virus del mosaico del tabaco pasaba los filtros que retenían a las bacterias), agentes que no crecen en medios artificiales en el laboratorio como lo hacen las bacterias, han permitido realizar algunas modificaciones en los postulados de Koch.

Este trabajo sobre el carbunco condujo rápidamente a la edad de oro de la bacteriología. En 25 años la mayoría de los agentes bacterianos de las principales enfermedades humanas habían sido descubiertos y descritos.

Desarrollo en la prevención de enfermedades (Lister y el fenol; Pasteur y las gallinas; Fleming y el hongo contaminante)

Actualmente es difícil comprender la magnitud de la miseria y devastación causada por los microorganismos antes de 1950. En Europa, durante el período de 1347-1350 ocurrió una epidemia de peste bubónica, conocida como la "muerte negra" y causada por una bacteria (Yersinia pestis). A causa de esta enfermedad en Francia murieron de un tercio a la mitad de la población y se estimó que en toda Europa murieron 25 millones de personas. Con el conocimiento de que los microorganismos causaban enfermedades, los científicos se dedicaron a investigar la prevención y el tratamiento. Los hospitales adoptaron la antisepsia, la cual previene la diseminación de las enfermedades infecciosas mediante la inhibición o destrucción de los agentes causantes. También se descubrió la inmunización, un proceso que estimula las defensas del cuerpo frente a la infección. Se empezó a aplicar la quimioterapia,

tratamiento de las enfermedades con una sustancia química, a medida que los investigadores encontrabanmedicamentos más efectivos. También influyó la sanidad pública, sobre todo la higiene relacionada con los alimentos y aguas.

1.1.2. CONCEPTOS BÁSICOS Microbiología: ciencia que estudia los organismos de tamaño microscópico, entre los que se incluyen las bacterias, los protozoos y los virus, así como ciertos hongos (levaduras) y algas unicelulares de pequeño tamaño.

La microbiología comprende un conjunto de disciplinas relacionadas, entre las que destacan la bacteriología, la virología y la parasitología. Estudia, no sólo la morfología de los microorganismos, sino también su modo de vida, su metabolismo, su estructura molecular, sus propiedades patogénicas y sus características antigénicas (aquellas que pueden provocar una respuesta del sistema inmunológico).

Antisepsia: Hacia 1860 un cirujano inglés llamado Joseph Lister investigaba la forma de eliminar los microorganismos de las incisiones realizadas en las operaciones quirúrgicas. Por esa época, las muertes por infección después de una operación quirúrgica eran muy frecuentes. El propio Lister tenía anotado en su cuaderno de notas que el 45% de sus pacientes morían a causa de las infecciones quirúrgicas. Para evitarlo utilizó una solución diluída de fenol (que ya se sabía que mataba a las bacterias) para lavar las ropas de los cirujanos y todo el marterial quirúrgico, así como en spray en el quirófano durante la operación. Estos experimentos fueron el origen de la técnica aséptica.

Inmunización: En 1880 Pasteur utilizó las técnicas de Koch para aislar y cultivar la bacteria que causa el cólera en gallinas. Para probar su descubrimiento convocó una demostración pública del experimento que había sido un éxito repetidas veces en el laboratorio. Inyectó un cultivo puro de la bacteria del cólera en gallinas sanas y esperó a que desarrollaran los síntomas y murieran. Per para su desgracia, las gallinas siguieron vivas. Revisando el experimento fallido descubrió que había utilizado cultivos viejos en lugar de cultivos frescos preparados especialmente para la demostración. Algunas semanas más tarde repitió el experimento usando dos grupos de gallinas: uno con gallinas inoculadas en el experimento anterior con el cultivo viejo y otro con gallinas nunca inoculadas. Ahora inyectó en ambos grupos cultivos frescos. En este experimento las gallinas del segundo grupo murieron, pero las del primero permanecían vivas. Estos resultados intrigantes pronto encontraron una explicación para Pasteur. El había descubierto que la bacteria, si se dejaba crecer durante largo tiempo, podía volverse avirulenta. Pero esta bacteria avirulenta estimulaba algo en el hospedador, en este caso las gallinas, que resistían infecciones posteriores haciéndoles inmunes a esa enfermedad. Pasteur aplicó este principio de inmunización en la prevención del carbunco en animales y funcionó. A estos cultivos avirulentos los

llamó vacunas (del latín vacca). Usando este término Pasteur reconoció el trabajo de Edward Jenner que en 1798 vacunó con éxito a un niño (James Phipps) de viruela, vacuna que obtuvo de las pústulas de una vaca con viruela.

El reconocimiento internacional de Pasteur le supuso un nuevo reto ya que le encargaron que encontrara una vacuna contra la rabia. En aquel momento no se conocía el agente causante de la rabia pero Pasteur creía que era un microorganismo. Hoy sabemos que es un virus. Finalmente obtuvo una vacuna frente a la rabia que funcionaba en perros, lo cual es diferente a humanos. En Julio de 1885, un niño llamado Joseph Meister fué mordido por un lobo rabioso, la familia del niño persuadió a Pasteur para que utilizara la vacuna en el niño (la enfermedad era mortal) que resultó un éxito. Posteriormente esta vacuna salvó a un grupo de campesinos rusos que habían sido mordidos por otro lobo rabioso. Como agradecimiento, el zar de Rusia envió a Pasteur 100.000 francos que utilizó para construir el Instituto Pasteur de París.

Quimioterapia: El tratamiento de las enfermedades mediante compuestos químicos no es nuevo. En 1495 ya se utilizaban sales de mercurio para tratar la sífilis, aunque este tratamiento hizo bueno el axioma: Graviora quaedum sunt remedia periculus, es decir "Es peor el remedio que la enfermedad" ya que determinados tratamientos, como es el caso del mercurio, son tóxicos para las células animales y humanas. Para que un agente quimioterápico sea efectivo en el tratamiento de una enfermedad infecciosa no sólo debe de matar o inhibir al microorganismo causante de la infección sino que además debe ser relativamente inocuo para las células humanas al exhibir toxicidad selectiva. El primer gran descubrimiento en este sentido fue hecho por Paul Ehrlich a principios del siglo XX. Este médico alemán creía que era posible obtener un compuesto químico que pudiera curar específicamente la sífilis sin dañar al paciente. El conocía que el arsénico inhibía al microorganismo causante de la sífilis (Treponema pallidum) pero que también era tóxico para las células humanas. Ehrlich trabajó en la idea de que el arsénico podía incorporarse dentro de compuestos orgánicos de tal manera que perdiera su toxicidad para las células humanas manteniendo sus propiedades antimicrobianas. Después de ensayar 605 sustancias con estas características encontró un compuesto, el 606, que cumplía estos requisitos. A esta sustancia la llamó Salvarsan y fue el primer compuesto químico sintetizado en laboratorio que podía curar una enfermedad sin ser tóxico para el paciente. Gracias a este descubrimiento le concedieron el premio Nobel en 1908. Hoy en día ya no se utiliza salvarsan para tratar la sífilis ya que ha sido reemplazado por un producto mucho más efectivo, el antibiótico penicilina.

Hasta 1935 no se realizó ningún nuevo avance en quimioterapia. En ese año Gerhard Domagk trabajando en la Bayer realizó un descubrimiento importante. Después de llevar a cabo experimentos con más de 1000 colorantes sintéticos para comprobar si alguno de ellos podía curar las infecciones causadas por estreptococos en ratones sin dañar a los animales, descubrió que un colorante rojo llamado Prontosil era efectivo. Este descubrimiento le valió el premio Nobel en 1939. Curiosamente, este colorante no era capaz de inhibir el crecimiento de las bacterias crecidas en laboratorio; sólamente era efectivo cuando las bacterias crecían dentro del cuerpo del animal.

Esta aparente contradicción fue resuelta en el mismo año por un químico francés Jacques Tréfouël al observar que el prontosil era transformado en el cuerpo en un compuesto incoloro diferente que sí tenía actividad específica frente a bacterias. Esta nueva sustancia era la sulfonamida. En un corto período de tiempo se determinó su estructura siendo posible sintetizarla en gran escala y desarrollar nuevos compuestos que se denominaron sulfamidas que aún hoy en día se siguen utilizando.

El salvarsan y las sulfamidas son ejemplos de agentes quimioterapéuticos sintéticos obtenidos mediante síntesis química en un laboratorio. Sin embargo, existe una segunda categoría: agentes quimioterapéuticos naturales, llamados antibióticos. Un antibiótico es una sustancia producida por un microorganismo que es inhibitoria para otros microorganismos en muy pequeña cantidad.

En 1928 el microbiólogo inglés Alexander Fleming observó que en una placa de agar inoculada con Staphylococcus aureus que estaba contaminada con el hongo Penicillium notatum, las colonias de Staphylococcus eran destruídas por alguna actividad de las colonias del hongo. A partir de este hongo realizó la extracción de un compuesto que era el responsable del efecto inhibitorio al que llamó Penicilina. Si bien Fleming reconoció el enorme potencial terapéutico de la penicilina, encontró serios problemas para aislarla y purificarla. El primer ensayo clínico con una preparación cruda de penicilina se llevó a cabo el 12 de Febrero de 1941. El paciente era un policía de Oxford que se estaba muriendo por una infección con Staphylococcus (septicemia). Al administrarle penicilina se observó un mejoramiento espectacular, pero 5 días después, cuando se les acabó la penicilina, la infección volvió a emerger y el paciente murió. Este ensayo clínico falló debido a que no se podía obtener una producción a gran escala de penicilina. En este punto (1940-1941) los británicos estaban inmersos en la II guerra mundial. Los americanos se interesaron por la penicilina y la fundación Rockefeller invitó al inglés Florey para que investigara la producción a gran escala de la penicilina junto con universidades e industrias farmacéuticas americanas. Esta cooperación hizo posible que un año después estuvieran disponibles grandes cantidades de penicilina. Muy pocos descubrimientos científicos han tenido tanto efecto en el campo de la medicina como el descubrimiento de los antibióticos.

Microbiología y genética (Neumococos, doble hélice e ingeniería genética)

Antes de 1940 el conocimiento del fenómeno genético provenía de las investigaciones sobre plantas y animales, pero no se sabía si estos resultados se podían aplicar a los microorganismos. En 1944 Oswald Avery, Colin MacLeod y MacLyn McCarty descubrieron el papel del DNA en la genética bacteriana. Encontraron que el material de DNA de un tipo de neumococos puede transferir una característica hereditaria a otro tipo de neumococos. Posteriormente, en 1953 Watson, Crick y Wilkins descubrieron la estructura molecular del DNA. Estos descubrimientos, junto con otros, establecieron que la información genética de todos los organismos está codificada en el DNA. Esto hizo de los microorganismos un modelo muy atractivo para la

investigación genética. Actualmente y utilizando la tecnología del DNA recombinante o ingeniería genética se pueden transferir fragmentos de DNA de un organismo a otro.

http://edicion-micro.usal.es/web/educativo/micro2/tema01.html

1.1.3 RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS Y APLICACIONES

APLICACIONES

Existen numerosos campos de aplicación de la microbiología: la industria alimentaria, la agricultura, el medio ambiente o la medicina, entre otros. De este modo, resultan de gran utilidad las fermentaciones que realizan algunos microorganismos, como la fermentación alcohólica que realizan algunas levaduras; o la fermentación láctica, que llevan a cabo las bacterias del ácido láctico. Además, los microorganismos se han utilizado en la obtención de diferentes enzimas o por su capacidad de degradar o descomponer sustancias contaminantes, como el petróleo y otros hidrocarburos, presentes en la naturaleza. En general, la biotecnología (empleo de organismos vivos para la obtención de productos útiles) ha experimentado un gran avance en las últimas décadas.

En medicina, la microbiología estudia los mecanismos de infección, desarrollo y supervivencia de los agentes patógenos. Un conocimiento profundo de la estructura y fisiología de estos microorganismos permite, en la práctica, una lucha eficaz contra numerosas enfermedades. Desde que en 1928 Alexander Fleming descubriera la penicilina, derivada del hongo Penicillium notatum, se han obtenido gran variedad de antibióticos a partir de otros microorganismos. Las distintas técnicas empleadas en ingeniería genética han permitido “programar” microorganismos con objeto de obtener distintos compuestos útiles como la insulina, la hormona del crecimiento, el interferón o determinadas vacunas.

Además, las investigaciones basadas en los microorganismos han sido cruciales para comprender muchos procesos vitales comunes a todos los seres vivos, como la replicación del ácido desoxirribonucleico (ADN) o la expresión del material genético.

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CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA MICROBIOLOGÍA

Los microbiólogos suelen especializarse en el estudio de determinados grupos

de microorganismos. Hablando con propiedad, la bacteriología es el estudio de las

bacterias, si bien con frecuencia este término se usa como sinónimo de Microbiología.

La protozoología es una rama de la parasitología que se ocupa solamente del estudio

de los protozoos. La parasitología abarca el estudio de los protozoos y de otros micro

y macroorganismos parásitos. La micología es una rama de la microbiología que trata

de hongos como son las levaduras y los mohos. La virología es la ciencia que se

refiere a los virus. La ficología se refiere, a las algas. No es raro que exista mayor

especialización en algunos aspectos biológicos de un grupo específico de microorga-

nismos, como por ejemplo la genética bacteriana, la fisiología de las algas y la

citología bacteriana.

Hay muchos campos de aplicación de la Microbiología, algunos de los cuales

se comentan aquí para dar a entender la variedad y significación de las actividades

microbianas.

MICROBIOLOGÍA MÉDICA

Los microorganismos son mejor conocidos popularmente por las enfermedades

que causan en los seres humanos, en otros animales y en las plantas. La rama de la

Microbiología que trata sobre los microorganismos productores de enfermedad en el

hombre se conoce como Microbiologia médica y los microbios causantes de enfer-

medad como patógenos, algunos de los cuales requieren un huésped susceptible u

órganos y tejidos específicos en donde puedan proliferar cuando no pueden

desarrollarse en medios artificiales o sintéticos de laboratorio.

A la Microbiología médica también le concierne prevenir y controlar las

enfermedades. Algunos de los aspectos que abarca la Medicina preventiva son la

antibiosis, la quimioterapia, la inmunización, la epidemiología y los procedimientos de

diagnóstico. La importancia de los diversos tipos de microorganismos causantes de

enfermedad se aclara conforme vamos estudiando este importante campo.

MICROBIOLOGÍA ACUÁTICA

El microbiólogo también se interesa en el estudio de las formas que se

encuentran en un medio concreto. Este estudio a veces abre caminos por los cuales la

Microbiología puede aplicarse con provecho a los problemas industriales o de salud.

Los microorganismos que se hallan en ambiente marino, en los estuarios, o en el agua

dulce, con frecuencia son de los mismos que encontrarnos en el suelo y en el aire y

los que dan calidad sanitaria al agua; pero su localización y actividades especializadas

merecen considerarse por separado. La flora microbiana del mar representa un

componente vital del proceso cíclico que suministra material nutritivo para la vida en

ese medio.

MICROBIOLOGÍA DEL AGUA Y DRENAJES DOMÉSTICOS

El agua para uso doméstico proviene de una de dos principales fuentes: de la

superficie, como lagos o ríos, o agua subterránea como la de los pozos. El origen del

agua de una u otra de estas fuentes es el mismo, la precipitación pluvial. Al caer de la

atmósfera, el agua pluvial arrastra los microorganismos transportados por el aire y

puede acarrear los del suelo cuando corre. Ninguna de estas contaminaciones es muy

importante por su gran dilución en grandes masas o corrientes de agua y por su

filtración a través del suelo para llegar a los depósitos subterráneos. Estas defensas

naturales no protegen al agua de la contaminación microbiana por desperdicios

humanos, domésticos, o industriales. Por lo tanto, el agua para uso humano debe ser

filtrada, tratada químicamente o someterla a ambos procesos para asegurar su

inocuidad. Es indispensable que también los desperdicios sean tratados para eliminar

microorganismos que producen enfermedades o malos olores. Esto se realiza

mediante procedimientos químicos y por microorganismos cuyo desarrollo se estimula

en las instalaciones del drenaje, en donde digieren y oxidan el material orgánico y

destruyen a los patógenos. El tratamiento adecuado, que varia según el origen de los

desperdicios, evita riesgos para la salud y aparta compuestos dañinos para los peces

y otras formas de vida acuática.

MICROBIOLOGÍA DE LA LECHE

La leche es un alimento excelente para el hombre y los microbios. En la ubre de

un animal sano está más o menos libre de microorganismos pero llega a contaminarse

durante las manipulaciones. Si no se guarda y refrigera adecuadamente, los

microorganismos proliferan descomponiéndola, y si aumenta el número de patógenos,

la hacen peligrosa para el consumo humano. Por la pasterización el contenido

bacteriano de la leche se reduce en gran parte y las bacterias patógenas son

destruidas.

Algunos microorganismos intervienen en la producción de queso, mantequilla y

otros productos lácteos. Los microorganismos tienen también una función importante

en la nutrición de las vacas lecheras e indirectamente participan en la producción de

leche. Vacas, ovejas, venados y camellos, son rumiantes con estómago multicavitado.

La primera cámara, la panza u omaso, almacena el forraje y en ésta los mi-

croorganismos proliferan profusamente, digieren la celulosa, sintetizan proteínas y

vitaminas y modifican las grasas, todo lo cual contribuye a los requerimientos

nutritivos del animal.

MICROBIOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS

Muchos alimentos sirven de igual manera para nutrir a los microorganismos y a

los seres humanos. Para asegurarse que el alimento es inocuo para el consumo

humano debe ser cuidadosamente tratado, guardado y preparado. Las enfermedades

que se transmiten mediante los alimentos son infecciones o intoxicaciones. Las

infecciones son causadas por diferentes organismos entre los cuales las salmonelas

son muy comunes. Entre los microorganismos que causan intoxicaciones alimentarias

figuran los estafilococos y los clostridios.

Los peligros de infección por alimentos o la intoxicación alimentaria, se reducen

por la inspección de la carne y las materias primas que intervienen en los alimentos

preparados, el aseo en las plantas de preparación, la imposición de reglamentos

sanitarios a los manipuladores y preparadores de alimentos, la refrigeración y el

apego estricto a esas medidas sanitarias por los manipuladores de alimentos, y la

imposición de leyes de salubridad federales, estatales y locales.

Muchos microorganismos son también benéficos para los seres humanos ya

que, al fermentar originan bebidas alcohólicas, queso, pan y otros productos

importantes.

MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL

Sustancias medicinales, bebidas alcohólicas, enzimas y ácidos orgánicos son

algunos ejemplos de lo que, a escala comercial, producen los microorganismos. Las

actividades químicas útiles de las bacterias, levaduras, mohos y algas, son explotadas

para obtener de estos microorganismos productos de valor, después de haberlos

cultivado en un medio relativamente poco costosos.

MICROBIOLOGÍA DE LOS INSECTOS

Muchas enfermedades de las plantas y de los animales son transmitidas por

insectos portadores, los cuales es esencial combatir para evitar muchas

enfermedades importantes como el paludismo y la fiebre amarilla. Los insecticidas

químicos han sido muy eficaces para este fin; sin embargo, su extenso uso ha creado

otros problemas, principalmente ecológicos. Para evitar el uso de sustancias químicas

se ha intentado destruir los insectos dañinos por infecciones a las que no son

susceptibles los insectos útiles. Se necesita una mayor investigación de los métodos

para el control biológico de los insectos indeseables sin poner en peligro a los

animales y plantas útiles.

1.2. IMPORTANCIA

1.2.1. EN LA INDUSTRIA

IMPORTANCIA INDUSTRIALLa microbiología industrial está dedicada a la utilización comercial de

microorganismos e incluye procesos que tienen gran importancia económica,

ambiental y social.

Tradicionalmente se ha utilizado la palabra fermentación en microbiología

industrial para describir los procesos de cultivo de microorganismos con propósitos

industriales. Sin embargo, no hay que confundir esta utilización del térmico con el

proceso bioquímico de fermentación consistente en la regeneración del poder

reductor (NADH) por un procedimiento no oxidativo (estos procesos se estudiarán

más adelante en el curso). La fermentación que tiene lugar en la producción del vino,

en este sentido, comprende ambos significados: por un lado, se trata

bioquímicamente de un proceso de fermentación (producción de alcohol a partir de

glucosa en condiciones anaerobias) y es una fermentación industrial en el sentido de

que se trata de un proceso industrial llevado a cabo por microorganismos.

El desarrollo de una fermentación industrial incluye dos tipos de procesos

denominados, por sus nombres en inglés, procesos upstream y procesos

downnstream. Los procesos upstream comprenden la selección y preparación del

microorganismo, la preparación del medio de cultivo y de las condiciones de

fermentación (cultivo). Los procesos downstream incluyen la purificación del producto

y el tratamiento de los residuos de la fermentación.

En el proceso de fermentación del mosto de uva para producir vino, podemos

distinguir los procesos upstream de la selección y preparación de cepas de levadura,

tratamiento del mosto y acondicionamiento de loas condiciones de fermentación. Los

procesos downstream comprenden, en este caso, el tratamiento del vino para su

clarificación y el de los residuos del proceso.

Los productos fabricados por fermentaciones industriales pueden agruparse

grosso modo en dos clases:

(1) Los productos de gran volumen y bajo valor (en este grupo se incluyen

los productos alimenticios, bebidas, aditivos alimentarios y algunos

productos químicos producidos por fermentación) y

(2) Los productos de bajo volumen y alto valor (los fármacos, por ejemplo).

Por otro lado, hay que señalar que tienen origen en fermentaciones industriales

un gran número de productos de uso cotidiano que pertenecen a diferentes grupos:

(1) Alimentos (derivados lácteos y de vegetales fermentados), bebidas (vino,

cerveza, etc.), aditivos alimentarios (vinagre, ácido cítrico, carotenos, etc.).

(2) Productos farmacéuticos: antibióticos B-lactámicos (penicilinas y

cefalosporinas), antibióticos aminoglicósidos y tetraciclinas; compuestos

antitumorales y otros fármacos (lovastatina, por ejemplo, utilizada para

controlar la producción de colesterol).

(3) Enzimas microbianas tales como proteasas, amilasas, etc.

(4) Productos químicos tales como alcoholes, polisacáridos, disolventes

(acetona), lípidos, productos base para la producción de plásticos, etc.

(5) Productos recombinantes diseñados por ingeniería genética.

Además de estas utilidades, los microorganismos se usan industrialmente en

ciertos procesos de microbiología ambiental tales como el tratamiento de residuos

sólidos y líquidos y en biorremediación. Estos aspectos serán tratados más adelante

en este curso.

No todos los microorganismos presentes en los alimentos son dañinos ni

deterioran la comida. Uno de los primeros usos de la biotecnología fue su aplicación a

los alimentos para la obtención de productos fermentados.

Estos son alimentos en los que microorganismos, como las bacterias del ácido

láctico o algunas levaduras y mohos, se añaden a los alimentos o se favorece su

crecimiento en ellos con el fin de que sus enzimas los modifiquen y den lugar a

nuevos productos y sabores. Los ejemplos más conocidos son: el vino, elaborado por

la acción de levaduras sobre el jugo de uva, el yogur y algunos quesos, que se

elaboran por fermentación de la leche gracias a la acción de las bacterias del ácido

láctico, y los mohos, empleados en algunos quesos curados, como el Camembert.

Fermentación, cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la

acción de las enzimas. Esta definición general incluye prácticamente todas las

reacciones químicas de importancia fisiológica. Actualmente, los científicos suelen

reservar dicha denominación para la acción de ciertas enzimas específicas, llamadas

fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y

la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido por una bacteria que se

encuentra generalmente en la leche, hace que ésta se agrie, transformando la lactosa

(azúcar de la leche) en ácido láctico. El tipo de fermentación más importante es la

fermentación alcohólica, en donde la acción de la cimasa segregada por la levadura

convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y

dióxido de carbono. Hay otros muchos tipos de fermentación que se producen de

forma natural, como la formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve

rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el vino se convierte en vinagre.

Generalmente, la fermentación produce la descomposición de sustancias

orgánicas complejas en otras simples, gracias a una acción catalizada. Por ejemplo,

debido a la acción de la diastasa, la cimasa y la invertasa, el almidón se descompone

(hidroliza) en azúcares complejos, luego en azúcares simples y finalmente en alcohol.

La glicerina, la propanona, el butanol y el ácido butírico se producen

actualmente a escala comercial por procesos especiales de fermentación. Varios

productos de fermentación de la leche como la lactobacilina, el kéfir y el yogur se

consumen abundantemente debido a sus propiedades nutritivas.

La acción de ciertas bacterias sobre los carbohidratos no digeridos produce la

fermentación en el intestino humano.

Desde la antigüedad, el etanol se ha obtenido por fermentación de azúcares.

Todas las bebidas con etanol y casi la mitad del etanol industrial aún se fabrican

mediante este proceso. El almidón de la patata (papa), del maíz y de otros cereales

constituye una excelente materia prima. La enzima de la levadura, la cimasa,

transforma el azúcar simple en dióxido de carbono. La reacción de la fermentación,

representada por la ecuación:

C6H12O6 2C2 H5OH + 2CO2

Es realmente compleja, ya que los cultivos impuros de levaduras producen una

amplia gama de otras sustancias, como el aceite de fusel, la glicerina y diversos

ácidos orgánicos.

Ciertos microorganismos, tanto determinados hongos como algunas bacterias,

producen sustancias químicas que resultan tóxicas para algunas bacterias

específicas. Estas sustancias, entre las que se incluyen la penicilina y la

estreptomicina, son los denominados antibióticos; producen la muerte de las bacterias

o impiden su crecimiento o reproducción. En la actualidad, los antibióticos están

desempeñando un papel cada vez más importante dentro de la medicina para

controlar las enfermedades bacterianas.

Los virus son útiles como sistemas modelo para estudiar los mecanismos que

controlan la información genética, ya que en esencia son pequeñas piezas de esta

información. Esto permite a los científicos estudiar sistemas de replicación más

simples y manejables.

Estas algas son importantes en la formación de los arrecifes de coral, al

producir material nuevo y sedimentarse junto a otros organismos.

Las paredes celulares de ciertas algas rojas son la única fuente de donde se

extraen dos carbohidratos polisacáridos de gran importancia económica: el agar y el

carraguín. Ambas sustancias están químicamente relacionadas y tienen propiedades

suspensivas, emulsionantes, estabilizantes y gelidificantes. El agar es conocido por su

uso en la preparación de los medios de cultivo para los microorganismos; el carraguín

por su empleo en la fabricación de productos lácteos, aunque también se usa en la

industria textil, en cosmética, en farmacia y en tipografía. Varias algas rojas, de las

cuales la más conocida es el nori, son importantes en la dieta de algunos pueblos,

especialmente en Japón.

El alginato, un polisacárido que se obtiene de los feofitos, se usa y comercializa

del mismo modo que el agar o el carraguín. Las algas pardas son también fuente de

vitaminas y minerales y se utilizan como fertilizantes. Algunas especies (como el

kobu) constituyen un aporte alimenticio importante, especialmente en la comida

japonesa contribuyendo de forma significativa a la cadena alimentaria de los habitáis

acuáticos. Sus paredes celulares están impregnadas con sílice y se fosilizan dando

lugar a la formación de rocas denominadas tierra de diatomeas, que se usa como

abrasivo y filtrante.

Hoy se cultiva y comercializa como suplemento dietético rico en proteínas.

Junto con las bacterias, los hongos son los causantes de la putrefacción y

descomposición de toda la materia orgánica.

Universidad estatal de Washington, y por otro la obtención de las primeras

plantas transgénicas de tabaco en 1983 mediante la utilización de Agrobacterium

tumefaciens por M. D. Chilton, del mismo departamento, señalaron el inicio de la era

de obtención de plantas transgénicas resistentes a insectos.

1.2.2. EN EL AMBIENTE

MICROBIOLOGÍA DEL AIRE

La clase y número de microorganismos del aire varía según el medio. Los

microorganismos del aire libre están influenciados por las condiciones meteorológicas

y por el tipo de terreno. Las partículas inertes y microbianas que flotan en el aire son

llevadas a grandes distancias por los vientos. En los grandes depósitos de agua, las

olas dispersan las partículas que contienen microorganismos pues al levantarse con

el agua son transportados muchos kilómetros. La supervivencia de estos

microorganismos en el agua depende de diversos factores entre los cuales figuran las

ondas de luz ultravioleta y, posiblemente, otras microbicidas de la luz solar. Si bien

por lo regular, hay muchas clases de microorganismos en el aire, su número no

aumenta porque carecen de sustancias nutritivas adecuadas.

En el aire de las habitaciones existe la posibilidad de encontrar

microorganismos productores de enfermedades bastante mayor que en el airé libre

puesto que están mucho menos esparcidos. Además, el aire de una habitación está

contaminado por sus ocupantes que emiten partículas al respirar, toser, o por la

conversación. El aire puede ser saneado por procedimientos mecánicos y químicos.

1.2.3 EN LA PRODUCCIÓN AGROPECUARIA

MICROBIOLOGÍA DEL SUELO

Hay microorganismos que mejoran la fertilidad del suelo al fijar el nitrógeno

atmosférico en compuestos nitrogenados utilizados por las plantas para sintetizar

proteínas; convierten en el suelo sustancias orgánicas en compuestos inorgánicos

haciéndolos disponibles para las plantas. Damos por supuesto que los

microorganismos descomponen plantas y animales muertos; pero por lo general no

nos damos cuenta de las reacciones bioquímicas que efectúan para hacer el suelo

fértil, proporcionando materias nutritivas para el desarrollo de las plantas. Es éste un

proceso muy complejo en el que participan muchos microorganismos. Se calcula que

un pie/acre de tierra fértil contiene cerca de 500 kilogramos de bacterias y tal vez una

cantidad igual de hongos, protozoos y algas. En términos generales es correcta la

afirmación en el sentido de que cuantos más organismos hay en el suelo éste es más

productivo.

Compostaje.

El compostaje es un proceso de fermentación sólida espontánea basado en el

aumento de la temperatura producido por la actividad de los microorganismos. El

material a comportar es el medio de cultivo, la fuente de nutrientes, el inóculo, la

fuente de agua y el producto final. El propio material retiene el calor producido por los

microorganismos y esto causa el aumento en la temperatura del proceso. Para esto

es necesario que la cantidad de material a comportar supere un mínimo crítico.

Generación de calor durante el compostaie.

El aumento de la temperatura durante el proceso de compostaje se debe al

catabolismo aerobio del material compostable por los microorganismos que forman su

flora natural. Como consecuencia de este metabolismo aerobio se utilizan los

carbohidratos, lípidos y proteínas del substrato como fuente de carbono y de energía

por los microorganismos quimioheterotrofos; estos nutrientes son metabolizados por

rutas diferentes que convergen en ciclos productores de gran cantidad de energía

(ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos) tanto directamente utilizable (una

molécula de ATP por ciclo completo) como obtenible mediante la cadena

transportadora de electrones (cadena respiratoria, 2 moléculas de NADH+H+, una de

NADPH+H+ y una de FADH2 por vuelta de ciclo). Parte de esta energía la disipan los

microorganismos como calor, necesario para elevar la temperatura ambiental de

forma que puedan funcionar metabólicamente de forma más eficiente. Cuando,

debido al apilamiento de material compostable, parte del calor producido queda

atrapado en el mismo material en proceso de compostaje, se produce un efecto de

retroalimentación de la generación de calor.

Procesos de lodos activados

Descripción del sistema básico:

Tratamiento iniciado en Inglaterra a principios de este siglo y que se ha

difundido mucho, consiste en un tratamiento aerobio que oxida la materia orgánica a

CO2 y agua y NH4+ y nueva biomasa. El aire necesario para el tratamiento se

proporciona mediante difusión o por tratamiento mecánico. Durante el tratamiento los

microorganismos forman flóculos que, posteriormente, se dejan sedimentar en un

tanque ad hoc denominado tanque de clarificación. El sistema básico comprende,

pues, un tanque de aireación y un tanque de clarificación por los que se hace pasar

los lodos varias veces.

Los dos objetivos principales del sistema de lodos activados son (1°) La

oxidación de la materia biodegradable en el tanque de aireación y (2°) La floculación

que permite la separación de la biomasa nueva del efluente tratado.