Microbiología: Bacterias, Arqueobacterias y Biotecnología

Microbiología – Ingeniería Genética- Biotecnología

Microbiología

A. Conceptos de Microorganismos. Diversidad y Clasificación.

Los microorganismos se definen como un extenso y variado grupo de seres vivos que, por su tamaño, solo pueden observarse al microscopio, sea óptico o electrónico.

Debido a su pequeño tamaño, tienen unas características comunes, que aportan algunas ventajas fisiológicas:

• Su relación superficie/volumen es muy alta, por lo que su intercambio de nutrientes con el medio es más eficiente que en una célula grande.
• Su metabolismo es muy rápido, ya que sus distancias internas son muy pequeñas.
• Se reproducen con gran rapidez, debido a la sencillez de su organización y metabolismo.
• Como consecuencia de todo esto, tienen una gran capacidad de alterar el medio en que viven, por agotamiento de nutrientes o por los productos de desecho. Esto guarda relación con su capacidad patógena.

Existen cinco grupos de microorganismos: bacterias, algas, hongos, protozoos y formas acelulares (virus, priones, viroides). Por tanto, tenemos una gran diversidad de organismos: células procariotas, eucariotas…

En cuanto a su clasificación, a partir de estudios de secuencias de ARNr en células procariotas, se ha establecido el árbol filogenético universal de la vida, o quizá mejor, del mundo celular (no incluye virus). Se divide en tres ramas principales que representan tres grupos primarios o ramas evolutivas: Bacteria, Archaea (arqueobacterias) y Eukarya (eucariotas).

Estas tres líneas se denominan dominios y se sitúan por encima del nivel de reinos. Todos ellos proceden de un antepasado procariota común, al que se denomina LUCA (Last Universal Cellular Ancestor).

• El dominio Bacteria: son células procariotas con lípidos en su membrana. Tienen una pared celular con ácido murámico.
• El dominio Archaea: son también procariotas con lípidos en su membrana, pero de tipo isoprenoide. Su pared celular carece de ácido murámico.
• El dominio Eukarya: son organismos eucariotas.

Tanto Bacteria como Archaea son verdaderas procariotas, pero sus diferencias evolutivas son tan grandes que ambos difieren tanto entre sí como con las eucariotas.

Clasificación de R. H. Whittaker y L. Margulis (5 reinos):

• Reino Monera: organización procariota. Bacterias y Arqueobacterias.
• Reino Protoctista: organización eucariota. Protozoos (son eucariotas unicelulares heterótrofos, sin pared celular y pueden tener movilidad) y algas microscópicas (son eucariotas autótrofas que realizan fotosíntesis oxigénica).
• Reino Fungi: Hongos. Son organismos eucariotas y heterótrofos. Presentan paredes rígidas formadas por quitina.
• Reino Metafitas (plantas).
• Reino Metazoos (animales).

B. Los Microorganismos y su Relación con Otros Organismos

Simbiosis: es la relación que se establece entre dos organismos, en la cual ambos salen beneficiados (llamada actualmente mutualismo).

Hay relaciones muy importantes:

• Rumiantes: para poder degradar la celulosa, tienen en su estómago bacterias y protozoos.
• Insectos xilófagos: las termitas utilizan protozoos para degradar la celulosa y la lignina.
• Humanos: tenemos bacterias que producen fermentaciones y sintetizan vitaminas.
• Nódulos radicales de las leguminosas: asociación de bacterias del género Rhizobium y leguminosas, donde se produce la fijación de nitrógeno atmosférico.
• Micorrizas: relación entre hongos y raíces de plantas, para aumentar la superficie de absorción de agua y sales.

Parasitismo: es la relación que se establece entre dos organismos, en la que uno de ellos sale beneficiado (el parásito) y otro sale perjudicado (el hospedador). Producen enfermedades infecciosas.

Microorganismos saprófitos: son los microorganismos que llevan a cabo la descomposición de la materia orgánica mediante fermentaciones y putrefacciones, que son muy importantes en el ecosistema, ya que reciclan esta materia para su utilización por los productores. En ocasiones, son también importantes por su utilización industrial.

C. Grupos de Microorganismos

i. Bacterias

Estructura

La forma responde a tres modelos fundamentales:

• Cocos: tienen forma esférica, a veces ligeramente ovalada. Dentro de ellos podemos encontrar formas aisladas (micrococos); en parejas (diplococos); en cadenas (estreptococos); arracimados (estafilococos); en grupos de 4 (tetracocos); o agrupados formando cubos (sarcinas).
• Bacilos: forma alargada, como bastoncitos. Pueden encontrarse aislados, en parejas (diplobacilos) o cadenas (estreptobacilos). En ocasiones presentan flagelos o esporas, que pueden encontrarse centrales o terminales.
• Espirilos: se caracterizan por su forma curva. Cuando tienen aspecto de coma se denominan vibrios; cuando tienen forma espiral, espirilos; y si las espiras son flojas y separadas, espiroquetas.

En cuanto al tamaño, aunque microscópico, varía bastante. Dentro de las pequeñas se encuentran algunos cocos que miden aproximadamente una micra o menos. Los bacilos más corrientes suelen medir de 5-8 micras de largo y 1-1,5 micras de ancho.

Membrana plasmática:

Estructura semejante a la de células eucariotas, pero sin colesterol. Presenta unas invaginaciones llamadas mesosomas que representan un gran aumento de superficie y que pueden contener sistemas enzimáticos relacionados con:

• Intercambio de sustancias con el medio externo.
• Crecimiento y regeneración de la membrana plasmática.
• Centros del metabolismo bacteriano: respiración celular y fotosíntesis (sus enzimas y pigmentos relacionados). Asimilación de nitrógeno, nitratos.
• Dirigen también la autoduplicación del ADN por contener la ADN-polimerasa.

Pared bacteriana:

Es una de las características más importantes de la célula, le confiere rigidez y forma. Químicamente es diferente a la de las células eucariotas y es una de las diferencias que existen entre los dos tipos de células.

Existen dos tipos de pared celular (dependiendo de cómo responden a la tinción de Gram) que dividen a las bacterias en dos grandes grupos: Gram- y Gram+.

La capa rígida, tanto de bacterias G+ como G-, es muy semejante en su composición química. Esta capa en forma de red, denominada de peptidoglucanos o mureína, es una delgada lámina compuesta de dos derivados de monosacáridos, la N-acetilglucosamina y el N-acetilmurámico, así como un pequeño grupo de aminoácidos que constan fundamentalmente de L-alanina, D-alanina, D-glutámico y ya sea lisina o ácido diaminopimélico. Estos constituyentes están conectados entre sí para formar una estructura repetitiva, el tetrapéptido glucano.

La estructura básica es en realidad una delgada lámina en la cual las cadenas de glucanos, formadas por los monosacáridos, están conectadas entre sí mediante pequeñas cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos cruzados, confiriendo a la estructura una gran rigidez.

La estructura del peptidoglucano está presente únicamente en los procariotas y el monosacárido N-acetilmurámico nunca se encuentra en eucariotas. Tampoco el aminoácido ácido diaminopimélico, otra característica poco común en la pared bacteriana (y por extensión de procariotas), es la presencia de dos aminoácidos en configuración D.

En las bacterias G- aparece, sobre la capa de peptidoglucanos (que es fina), una capa externa formada por lipopolisacáridos y proteínas (muchas de ellas enzimas), que constituye una verdadera unidad de membrana y se conoce como membrana externa, que les da un aspecto biestratificado y mayor resistencia a agentes bactericidas.

Entre la membrana externa y la membrana plasmática se encuentra un espacio, denominado espacio periplásmico.

La importancia funcional de esta capa externa es, en parte, que sirve como una barrera externa a través de la cual deben penetrar sustancias para alcanzar la célula. La capa externa es permeable a pequeñas moléculas, pero no a enzimas ni a otro tipo de moléculas grandes. De hecho, una de las principales funciones de la capa externa puede ser su capacidad para evitar que ciertas enzimas, presentes por fuera de los peptidoglucanos, abandonen la célula.

En las Gram+ es más sencilla, carecen de membrana externa y tienen aspecto monoestratificado, y sobre el peptidoglucano tienen una capa con ácidos teicoicos como componente más típico.

Los componentes de su pared son los responsables de su carácter antigénico.

Cuando la bacteria carece de pared se denomina protoplasto, estado en que la bacteria es muy delicada.

La presentan muchas bacterias por fuera de la pared, de un grosor entre 100-400 Å, con aspecto viscoso y formada por polisacáridos, polialcoholes o aminoazúcares.

Sus funciones están relacionadas con: protección frente a la desecación, protección del ataque de anticuerpos, de la fagocitosis, también relacionada con la fijación de las bacterias a los huéspedes.

Flagelo bacteriano:

Es una prolongación filiforme, normalmente de mayor longitud que la bacteria, que utiliza para desplazarse en medio líquido. Su número y disposición es variable. Es más sencillo que el de eucariotas.

Es un trenzado helicoidal de fibrillas de una proteína, la flagelina.

Está formado por un tallo, que sale de la bacteria, con un grosor de 100-200 Å. Este tallo se fija a la pared por una parte basal, formada por cuatro anillos discoidales, al menos uno de ellos tiene capacidad de giro, que transmite impulso a la bacteria.

Según el número y posición de los flagelos, las bacterias pueden ser diferenciadas y clasificadas: Monótricas, Lofótricas, Anfítrica, Perítricas, Atrícas (sin flagelos).

Pelos bacterianos, fimbria o Pili:

Se encuentran sólo en Gram-. Son filamentos superficiales, delgados, huecos (40-80 Å), formados por pilina. Su misión está relacionada con: fijación a sustratos, intercambio de moléculas e información genética. Participan en la conjugación bacteriana.

Citoplasma:

Carece de cualquier tipo de orgánulo, excepto ribosomas de 70S. Aparecen inclusiones de reserva de polisacáridos, almidón, lípidos, volutina (fosfato inorgánico). Por lo demás, igual que otro tipo celular.

Material genético:

Presenta un cromosoma bacteriano, circular y bicatenario, con organización de superenrollamiento. Se conoce como nucleoide a la zona donde se localiza, que puede estar unido a un mesosoma.

Además, podemos encontrar una o más moléculas de ADN de pequeño tamaño, llamadas plásmidos, que se replican con independencia del cromosoma bacteriano. Destacamos:

• Episomas: pueden integrarse reversiblemente en el cromosoma bacteriano.
• Plásmidos conjugativos: tienen genes relacionados con la formación de Pili sexuales, necesarios en la conjugación. Factor F (fertilidad), Factor R (resistencia a antibióticos).

Metabolismo

Independientemente de la nutrición, las bacterias pueden necesitar oxígeno atmosférico (bacterias aerobias) o no (bacterias anaerobias). Para algunas, el oxígeno es un gas venenoso (anaerobias estrictas); otras lo utilizan cuando está presente, aunque pueden vivir sin él (anaerobias facultativas).

La mayoría de las bacterias son heterótrofas y deben tomar alimento orgánico sintetizado por otros organismos. La obtención del alimento lo hacen por diversos mecanismos:

• Saprobiontes: son de vida libre y viven sobre materia orgánica en descomposición.
• Comensales: asociadas a otros organismos a los cuales no les causan ningún daño, ni tampoco beneficio.
• Parásitas: producen enfermedades.
• Simbiontes: ambos organismos obtienen beneficio.

Otras son autótrofas y utilizan compuestos inorgánicos para su nutrición:

• Autótrofas fotosintéticas (bacterias sulfurosas verdes y púrpuras): No utilizan agua para la fotosíntesis, sino otros compuestos como sulfuro de hidrógeno y, por tanto, no producen oxígeno, sino azufre. Se denomina fotosíntesis anoxigénica. Al poseer pigmentos que absorben prácticamente en el infrarrojo, no necesitan luz visible.
• Autótrofas quimiosintéticas: utilizan la energía que se desprende de la oxidación de ciertos compuestos inorgánicos (quimiosíntesis).

La mayoría de los organismos que obtienen su energía a partir de la oxidación de compuestos químicos inorgánicos son bacterias (litótrofas). La mayoría de ellas obtienen su fuente de carbono del CO₂ (autótrofas). Lo reducen de manera semejante a como lo hacen los organismos fotosintéticos, pero la diferencia es la manera de producir el ATP necesario, ya que es producido por fosforilación mediante transporte de electrones durante la oxidación del donador de electrones inorgánico.

1. Bacterias del hidrógeno: Emplean el gas H₂ como donador de electrones, catalizada por la hidrogenasa, y los hidrógenos son cedidos al NAD⁺. El NADH formado dona sus e^– a una partícula transportadora de e^– y el ATP es sintetizado mediante la fosforilación por transporte de electrones. Al final, estos electrones son cedidos al oxígeno, formando agua.
2. Bacterias sulfurosas incoloras: Los compuestos de azufre reducidos más frecuentes utilizados como donadores de electrones por estas bacterias son: SH₂ (sulfuro de hidrógeno), S₀ (azufre elemental) y S₂O₃^2- (tiosulfato), que son donadores para la fosforilación por transporte de electrones.
3. Bacterias nitrificantes: Los compuestos de nitrógeno más frecuentes empleados como donadores de electrones son el amoniaco (NH₃) y el nitrito (NO₂^–), procedentes de la descomposición de cadáveres de plantas o animales, así como restos de heces y orines de animales, que, oxidados aeróbicamente por estas bacterias, producen energía, así como su transformación de materia orgánica a inorgánica utilizable por los productores nuevamente.
4. Bacterias del hierro.

La cantidad de ATP formado es directamente proporcional a la cantidad de energía liberada en una determinada oxidación, y la energía que liberan no es mucha, por lo que podrán sintetizar pequeñas cantidades de sustancia celular, pero como estos organismos utilizan donadores de electrones que no están disponibles para otros, pueden sobrevivir en la naturaleza.

Cuando una bacteria utiliza el CO₂ como única fuente de carbono, tienen que producir poder reductor, además de ATP, pero el NAD⁺ solo puede ser reducido por el H₂, puesto que los demás donadores de electrones que hemos visto tienen potenciales redox más positivos y, por tanto, el flujo de electrones no puede ir hacia más negativo. Pero, de hecho, sucede que se produce un flujo inverso de electrones para reducir el NAD, utilizando la energía proveniente del ATP que se ha producido durante la oxidación del donador inorgánico de electrones.

Posteriormente, con la energía y el poder reductor producido, fijarán y reducirán el CO₂ y los compuestos inorgánicos, igual que las plantas.

Fijación de nitrógeno atmosférico por parte de Rhizobium, cianobacterias y bacterias fotosintéticas.

Reproducción

Las bacterias pueden reproducirse de manera asexual, mediante bipartición transversal. El cromosoma bacteriano, unido al mesosoma, se duplica, separándose los dos cromosomas hijos al crecer la membrana entre los dos puntos de anclaje de estos. Posteriormente, la membrana plasmática se invagina y se produce un tabique de separación, lo que da lugar a dos células hijas idénticas al progenitor.

La división es muy rápida y, en 24 horas (sin limitaciones), una célula puede dar lugar a un clon de 250.000 bacterias idénticas. Con este tipo de reproducción, el único medio de variación genética es la mutación de su ADN.

No obstante, una bacteria puede recibir información de otra bacteria en un modo de transmisión horizontal: la información pasa de una bacteria a otra dentro de la misma generación y no de la paterna a la filial. Este mecanismo se denomina parasexual y en los que se da un proceso de recombinación. Para ello, primero tiene que darse la inserción, en una célula receptora, de un fragmento de ADN diferente, procedente de una célula donadora, y después tiene que efectuarse la integración de ese fragmento.

Hay tres mecanismos por los cuales puede producirse la integración:

1. Transducción: que estudiaremos en los virus.
2. Transformación: ADN libre que se introduce en una célula.
3. Conjugación: intercambio entre dos células vivas.

Transformación: Consiste en que un fragmento de ADN libre en el medio atraviesa la membrana celular de la bacteria y, mediante un fenómeno de entrecruzamiento, sustituye al fragmento homólogo en la bacteria receptora, cambiando con ello la información genética de la bacteria. Solo algunas bacterias son capaces de ser transformadas (competentes). Parece ser una característica hereditaria y varía con las fases de su ciclo celular y con las condiciones del medio.

En un principio, el ADN se incorpora de manera reversible y, posteriormente, una vez que se produce la unión, es irreversible. Los fragmentos compiten uno con otro para su incorporación.

Poco después de la incorporación, una de las cadenas se rompe y la otra es integrada en el genoma, sustituyendo a la secuencia homóloga, formándose una molécula de ADN mezcla de la parental y la recombinante.

Conjugación: En este proceso hay un contacto directo célula a célula. La información genética se transfiere de una célula donadora a una célula receptora.

La característica que confiere a una bacteria la capacidad de ser donadora es la presencia de un plásmido denominado FACTOR F. Las moléculas que lo presentan en su citoplasma se denominan F⁺ y serán bacterias donadoras de la información; las que no lo poseen se denominan F^– y serán bacterias receptoras, es decir, que reciben la información genética; o bien el factor F puede presentarse integrado en el ADN bacteriano, por entrecruzamiento de regiones específicas idénticas tanto en el plásmido como en el ADN, en cuyo caso, la bacteria se denomina HFR.

La información genética contenida en dicho factor F permite formar un pelo sexual, que establece el contacto entre las dos células. Posteriormente, el pelo se contrae para acercar las dos células entre las que se va a producir el trasiego de información.

Paso de información de F⁺ → F^–: La bacteria dadora F⁺ forma el pelo sexual con una bacteria receptora F^– y, una vez que están en contacto, va fabricando una copia de su plásmido F, de tal manera que le pasará una copia a la bacteria receptora y, como consecuencia, ahora esta bacteria también tiene en su citoplasma el factor F y, por tanto, ya es una bacteria donadora F⁺.

Paso de información de HFR → F^–:

Cuando la bacteria donadora es HFR, puede darse la transferencia de genes de la bacteria junto con los genes del factor F, ya que dicho factor inicia su replicación en un punto interno al factor y, al mismo tiempo, replica el ADN bacteriano y lo arrastra, pasándoselo a la bacteria receptora a través del pelo sexual.

Esta transferencia dura 90 minutos. Si el puente se rompe, se interrumpe la transferencia, pasando a la bacteria receptora un fragmento ± grande de ADN de la bacteria donadora y un trozo del plásmido. Generalmente, nunca se da la transmisión entera, con lo que la bacteria receptora no recibe nunca el factor F entero, con lo que sigue siendo F^–, a pesar de que pueda recibir información del ADN cromosómico de la bacteria donadora.

El segmento de ADN que ha entrado se apareará con el segmento homólogo y, por entrecruzamiento, sustituirá al fragmento homólogo de la receptora, como en la transformación.

Si no se da el entrecruzamiento, el fragmento de ADN es degradado y la bacteria receptora queda con la información que poseía.

Formas de Resistencia

Si las condiciones ambientales se vuelven muy desfavorables, por falta de agua u otros factores, las bacterias entran en un periodo de latencia, por el cual consumen el mínimo de energía posible y en la que pueden estar durante muchísimos años. Lo hacen mediante dos posibles mecanismos:

• Formando quistes: la bacteria se encoge, pierde agua y se rodea de una gruesa membrana.
• Formando endosporas: en este caso, se forma una gruesa membrana en el interior de la bacteria, que rodea al cromosoma y a una pequeña cantidad de citoplasma, permaneciendo en vida latente hasta que las condiciones sean favorables. Estas esporas son típicas de bacterias Gram+, como Bacillus o Clostridium.

No es una forma de reproducción, puesto que, una vez recuperadas las condiciones favorables, las esporas absorben agua y surge de nuevo la bacteria activa.

Tanto en un caso como en otro, las bacterias se vuelven resistentes al calor, frío, desecación y sustancias químicas. Pueden responder, así mismo, con movimientos de aproximación o separación, ya sea con sus flagelos, por contracción o por reptación.

ii. Arqueobacterias. Dominio Archaea

Son procariotas y son los microorganismos más primitivos y antiguos. Tienen muchos genes exclusivos.

Estructura

Carecen de núcleo. Su membrana carece de fosfolípidos; presentan unos compuestos lipídicos derivados del glicerol. Su pared celular nunca presenta mureína, sino proteínas o un peptidoglucano modificado (pseudopeptidoglucano).

Medio Ambiente

Muchos Archaea se encuentran adaptados a condiciones de vida extremas (extremófilos).

Algunos de estas arqueobacterias son:

• Termófilas: se desarrollan a elevadas temperaturas, superiores a 45 °C, aunque algunas son capaces de vivir por encima de 80 °C (hipertermófilas), como aquellas que viven en surgencias termales submarinas.
• Psicrófilas: pueden vivir a bajas temperaturas. Su temperatura óptima son 4 °C, pero pueden vivir en los lugares más fríos del planeta.
• Acidófilas: viven en entornos ácidos, como fuentes hidrotermales, donde se producen gases sulfurosos.
• Alcalófilas: viven en suelos alcalinos, ricos en carbonatos, y en lagunas kársticas del norte de África.
• Halófitas: viven en ambientes salinos, preferentemente lagos salobres, como el Mar Muerto y tanques de evaporación de salineras.

Esto lo consiguen gracias a que sus enzimas (extremoenzimas) están adaptadas para ser funcionales en estos ambientes, en los que otros sistemas enzimáticos no serían viables. Esto ha despertado gran interés en la medicina y otros ámbitos industriales.