Alimentación

Microorganismos, ¿amigos o plagas?
José Juan Aguilar Gavilán
Dpto. Microbiología
Microorganismos
Microbiólogo/a
Bacterias
Virus
Hongos
Algas
Protozoos
Su tamaño pequeño y la rapidez con que se reproducen*
les confiere una gran capacidad de dispersión.
Su variabilidad y flexibilidad metabólica les permite tolerar condiciones medioambientales desfavorables.
Streptococcus (1 m)
* Una sola bacteria, con un
tiempo de generación de 20
minutos, creciendo de forma exponencial durante 48
h. formaría una población
que pesaría unas 4.000 veces más que la Tierra (esta
pesa unos 6.600 trillones de
toneladas), algo impresionante habida cuenta que
una sola bacteria pesa solo
10-12 gramos.
Rhodobacter (bacteria fototrófica capaz de crecer también en la
oscuridad, tanto anaeróbicamente
como en presencia de O2, utilizando materia orgánica o inorgánica
como fuente de energía).
Su plasticidad genética les hace adquirir por recombinación
caracteres favorables para adaptarse fácilmente a los cambios en sus hábitats naturales, justificando su persistencia en
los mismos.
Mycobacterium tuberculosis (la aparición de estirpes multi-
resistentes a los fármacos eficaces contra la cepa silvestre ha
permitido la reemergencia de brotes de tuberculosis en zonas
en las que se había erradicado la enfermedad).
Los microorganismos, omnipresentes en la Tierra
No transcurre un día de nuestra vida sin que nos veamos
expuestos a agentes infecciosos
Con excepción de la música y la danza, el impacto de los microbios en el
resto de las artes clásicas – arquitectura, escultura, pintura y literatura- es
notable. Incluso en lo que respecta a la música, la acción de microorganismos patógenos podría considerarse también destacable, pues cercenó la
vida de ilustres genios musicales.
Beethoven (1770-1827) Schubert (1797-1828)
Chopin (1810-1849)
Tchaikowsky (1840-1893)
Microbiota corporal
Residentes (microbiota autóctona)
Se denomina “microbiota corporal” al
conjunto de microorganismos (la mayoría
bacterias) que viven íntimamente asociados a las superficies corporales de cualquier ser vivo.
Transeúntes (microbiota alóctona)
Por cada célula humana, existen 10 células microbianas en nuestro organismo
(suponen del 1-3% del peso corporal)
Liping Zhao (Dpto. de Microbiología de la Escuela de Ciencias de la Vida y de Biotecnología, Universidad Jiao Tong de
Shanghai, China, 2008).
“Somos superorganismos”, una interacción
de dos genomas: el humano (estable, heredado de los padres, de unos 19.000 genes), y
el microbioma (genoma de los microorganismos comensales que conforman la microbiota,
un genoma flexible, adquirido del medio ambiente, de 8.000.000 de genes).
El estudio del microbioma humano deja entrever que
el organismo no podemos considerarlo como algo
separado de los microbios, en realidad es un conjunto cambiante de ecosistemas. Nuestra salud depende, en buena medida, del equilibrio de esos ecosistemas y, por ende, de la diversidad de nuestros
microbios. Para abordar terapias frente a diversas
patologías será vital entender qué transforma a una
población comensal en patógena y cómo evitar desequilibrios en la composición del microbioma.
Medicina y Salud Pública
Enfermedades infecciosas
Prevención de enfermedades infecciosas
Tratamiento y curación de enfermedades
Belleza y estética
Incidencia de la muerte negra en Europa (año 1353)
Muerte negra (peste bubónica), irrumpe en Europa en 1347 y en
4 años acabó con el 75% de la población (25 millones de muertes).
6
V
5
4
V
*
*
* *
V
*
Importada desde Crimea por un navío genovés, la muerte negra rápidamente se extendió por regiones de la costa europea (desde Génova a la Provenza, al Languedoc, a Cataluña y Valencia), para después penetrar en el interior del la zona continental del occidente
europeo (en el mapa, las diferentes tonalidades de rojo muestran las
áreas de incidencia desde más temprana a más tardías, numeradas
del 1 al 6). En color verde (marcadas con la letra V) aparecen reflejadas aquellas zonas en las que la peste tuvo menor incidencia.
3
2
1
La colonia genovesa de Kaffa, en
Crimea, fue asediada por los
mongoles. Los sitiadores se vieron aquejados por un terrible
mal que les diezmó y que fue
contagiado al interior de la ciudad: los mongoles lanzaron en
1346 cadáveres de apestados
para minar su resistencia. Los
marinos genoveses que partieron de Kaffa transmitieron la
enfermedad.
Microorganismos, prevención de enfermedades
Edward Jenner (1796)
Louis Pasteur (1885)
Vacunas (sarampión,
parotiditis y rubéola)
Microorganismos, tratamiento y curación de enfermedades
Probióticos
Mycobacterium vaccae
Alexander Fleming (1928)
Antibióticos (penicilina)
Suprime la inflamación
Estimula la inteligencia
Antidepresivo (disminuye la ansiedad)
Eficaz para combatir enfermedades
(tuberculosis, lepra, asma, dermatitis
atópica, soriasis y cáncer)
Microorganismos, belleza y estética
Levaduras
Louise Augusta (1755-1842), reina
Nefertiti (1370-1330 a.C.), de Prusia (Elisabeth Vigeé-Lebrun,
esposa de Akenatón (Museo 1801)
egipcio de Berlin)
Toxina botulínica (Botox®)
Clostridium botulinum
Colagenasas G/H
(Col GHPB220®)
Clostridium hystoliticum
Agricultura y Ganadería
Enfermedades infecciosas
Reciclaje de nutrientes y fertilización
Producción animal/vegetal
Microorganismos y enfermedades infecciosas
Mildio lanoso de la vid (1878)
Peste porcina africana (1957)
Plasmopara viticola
Virus de la peste porcina africana
Reciclaje de nutrientes y fertilización
Ciclo del nitrógeno
Rhizobium sp.
Fijación de nitrógeno
Desnitrificación
Nitrificación
Bacillus sp.
Nitrosomonas
Nitrobacter
Producción vegetal
Micorrizas
Estructuras fúngicas especializadas
que se establecen en las raíces (son
como extensiones de la raíz) y que se
asocian con éstas ayudando a la absorción de nutrientes y protegiéndolas contra los patógenos.
Producción animal
Microbiota del rumen
Los microorganismos presentes en el rumen convierten los nutrientes ingeridos por el rumiante (hierba
y cereales) no solo en la fuente de energía que la
vaca precisa sino también en la importante cantidad
de biomasa microbiana que se erige en la fuente
principal de nutrientes para el animal.
Microorganismos como soporte de la vida en chimeneas hidrotermales submarinas Rymicaris hibysae (camarón pálido de Islas Caimán,
capaz de vivir en zonas con 400 ºC de temperatura)
Bathymodiolus thermophilus
(mejillón gigante, hasta 20 cm.)
En las inmediaciones de las chimeneas hidrotermales submarinas se descubren ecosistemas sorprendentes, con
comunidades densas y florecientes de
invertebrados (almejas y mejillones gigantes -20 a 25 cm-; gusanos tubulares
de hasta 2,5 m; camarones, etc.) sustentadas por la actividad de microorganismos quimiolitoautótrofos.
Thiovulum spp., bacteria
sulfooxidante
Rifita pachyptila (gusano pluma de mar, hasta 2,7 m.)
El gusano pluma de mar
es un gusano tubícola, carente de boca y ano, que
sustituye su aparato digestivo por un tejido esponjoso (llamado trofosoma) cargado de gránulos
de azufre y de bacterias
sulfooxidantes.
Éstas bacterias quimiolitotrofas suministran al gusano los compuestos orgánicos y la energía que precisa para vivir. Algo similar ocurre en
almejas y mejillones, aunque en ellos las bacterias colonizan sus
branquias.
Alimentación
Descomposición de alimentos
Infecciones e intoxicaciones alimentarias
Alimentos fermentados
Conservación de alimentos
Fuente de carbono y energía
Aditivos alimentarios
Descomposición de alimentos
Desde la perspectiva de su resistencia al
ataque microbiano, los alimentos se separan
en varias categorías, a saber:
Muy perecederos
Perecederos.
Poco perecederos.
Resistentes o imperecederos
Intoxicaciones e infecciones alimentarias
Brucelosis –Fiebre de Malta(queso de cabra no pasteurizado)
Salmonelosis
Intoxicación con toxinas
fitoplanctónicas
Alimentos fermentados
Bebidas alcohólicas
Derivados lácteos
Lactobacillus delbrueckii
subespecie bulgaricus
Vino
Saccharomyces cerevisiae
Zymomonas
mobilis
Streptococcus salivarius
subespecie thermophilus
Conservación de alimentos
Pediococcus
cerevisiae
Cerveza
Lactobacillus
plantarum
Encurtidos (fermentación láctica)
Pulque
Microorganismos: fuentes de proteínas, vitaminas, etc.
Levaduras (SCP, Single Cell Proteins)
Levaduras comestibles
Levaduras pienso
Extracto de levadura, subproducto del proceso de elaboración de la cerveza. Aporta vitaminas B (B1, B2, B3, B9 y B12) y proteínas.
Microorganismos y aditivos alimentarios
Aspartamo (E951)
A
B
Éster metílico de ácido aspártico y fenilalanina
(aminoácidos obtenidos industrialmente a partir de
dos bacterias: Corynebacterium glutamicum –A- y
Brevibacterium linens –B-). Edulcorante artificial
(E 951).
Aspartamo
E-951
Fenilcetonuria
Energía/Medio ambiente
Condiciones atmosféricas
Biocombustibles y recuperación de ellos
Elaboración de compost
Bioinsecticidas y plástico biodegradable
Extracción microbiana de minerales
Biorremediación
Biodeterioro
Contaminación ácida
Condiciones atmosféricas
Pseudomonas syringae
Desarrollo de nubes y precipitaciones
Sensibilidad de las plantas frente a las heladas (cepa ICE plus
de Pseudomonas syringae: cepa silvestre productora de una proteína de
superficie, llamada “ina” –acrónimo del inglés “Ice nucleation-active”-,
que permite actuar a esta bacteria como centro de nucleación para los
cristales de hielo: normalmente, el agua pura, como la del rocío, puede
enfriarse hasta –4 ºC y permanecer líquida, pero en presencia de “ina” se
forma hielo justamente en el punto de congelación del agua) y protección frente a las mismas (cepa ICE minus de P. syringae: su incapacidad para producir “ina”, hace descender hasta -7 a -9 ºC la temperatura de formación de cristales en las plantas donde prolifera).
Producción de nieve artificial
La lluvia ácida (pH 3,5-4 vs. 5,6)
Control bacteriano de sus
efectos
Eliminar el azufre de los
combustibles fósiles
Acidithiobacillus sp.
Protección de las obras de arte
en piedra caliza y mármol
Myxococcus xanthus
Biocombustibles vs. agrocombustibles
Bioetanol
Biometanol
n-Butanol
Hidrógeno
Metano
Biodiésel
Zymomonas
mobilis
Las algas son los organismos fotótrofos
más indicados para la producción de
biocombustibles. Su utilización para la
fabricación de bioetanol y biodiesel podría presentar varias ventajas en comparación con el resto de materias primas utilizadas para elaborar agrocombustibles, a saber:
Son los eucariotas fotótrofos con
el crecimiento más rápido (se descubren especies capaces de cuadruplicar
su biomasa en un solo día).
Aunque, como cualquier planta, no necesitan mucho más que agua, luz solar y
CO2 para crecer, el rendimiento de la
producción de biocombustibles por las
algas es mucho más alto que el de las
plantas.
Es posible cultivarlas durante todo
el año.
El cultivo de algas, al no requerir ni
tierras arables ni agua limpia (las algas
crecen hasta en aguas negras y agua del
mar), no va a competir por dichos recursos con los cultivos alimenticios.
Cultivo de algas (sus féculas y aceites son una fuente de
bioetanol y biodiésel)
Recuperación de combustibles
fósiles
Xantano, producido por Xanthomonas campestris, usado en la extracción de petróleo.
Microorganismos al rescate de problemas medioambientales
Compostaje
Residuos orgánicos
frescos
Reducción de volumen y peso
100%
50%
100 Kg
60 Kg
0 meses
3 meses
40%
50 Kg
6 meses
Compost
30-35%
Microorganismos aerobios
y mesófilos (bacterias, levaduras y mohos).
30-40 Kg
Microorganismos termófilos (bacterias del grupo actinomicetos y hongos basidiomicetos).
9 meses
Los insecticidas biológicos como alternativa a los plaguicidas
Taladro del maiz (oruga de Ostrinia nubilalis) e insecticida
Bt® (esporas de la bacteria Bacillus thuringiensis).
Polilla del manzano y Granulopom® (Granulovirus de Cydia pomonella).
Picudo rojo de las palmeras (Rhynchoforus ferruginosus) y Boverol-Garden (hongo ascomiceto entomopatógeno Beauveria bassiana).
Plásticos contaminantes: los ecosistemas en peligro
En mayo de 2015, cada español gastábamos unas
100 bolsas de plástico anuales -frente a las 300
unidades de 2007-, una reducción drástica de casi
el 60 % que aproxima al país a los objetivos de la
directiva europea aprobada por la Eurocámara el
28 de abril de 2015, y que establece como objetivo principal un consumo de 90 unidades por habitante en 2019 y de 40 en 2026, lo que supone rebajar el actual consumo de las bolsas de plástico ligeras (bolsas de menos de 50 µm de espesor).
Plástico ecológico: Polímeros sintéticos vs. polímeros microbianos biodegradables
Los plásticos son “materiales sintéticos” obtenidos a partir de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales, mediante fenómenos de polimerización de
los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares.
Bacterias que acumulan PHA
Copolímero poli-β-hidroxivalerato (PHV)
/poli-β-hidroxibutirato (PHB)
Bacillus megaterium
uyuni S29
Ralstonia eutropha
Estructura monomérica de polímeros
sintéticos comunes
En 2013, en uno de los llamados "ojos de agua" del salar de Uyuni (sur
de Bolivia) se aisló una nueva cepa del Bacillus megaterium, bautizada
como B. megaterium uyuni S29. Resultó ser especialmente prolífica
en la formación de polímeros de poli-β-hidroxialcanoato –PHA(en condiciones extremas, tanto de temperatura, de presión o concentración de sal, ciertas bacterias –ver Tabla- sintetizan cantidades
importantes de PHAs) de propiedades térmicas que los hacen más
fácilmente procesables que los producidos por otras bacterias.
Biolixiviación: minería microbiana (biohidrometalurgia)
Acidithiobacillus ferrooxidans,
una bacteria quimiolitótrofa,
que obtiene su energía de la
oxidación de sulfuros metálicos
(MS) y del hierro ferroso (Fe+2)
Lixiviación indirecta
FeS2 + 3,5O2 + H2O
FeSO4 + H2SO4
2FeSO4 + 0,5H2 + H2SO4
CuFeS2 + 2Fe2(SO4)3
2S0 + 3O2 + 2H2O
Fe2(SO4)3 + H2O
CuSO4 + 5FeSO4 + 2S0
2H2SO4
Lixiviación directa
MS + 2O2
MSO4
2FeS2 + 3O2 + 2H2O
2H2SO4 + 2 S2- + 2Fe2+
Sulfolobus solfataricus, una
arquea hipertermófila metabólicamente similar a A. ferrooxidans, responsable de la biolixiviación a alta temperatura
de las menas de hierro y de cobre
Drenaje ácido de minas de carbón
Biorremediación
Biodegradación microbiana que permite a los ecosistemas contaminados retornar a su estado inicial. También se conoce como “biorreparación” o “saneamiento biológico”.
Balsa de Bolidén
(Aznalcóllar, Sevilla)
Burkholderia cepacia
En la madrugada del 25 de abril de 1988 la
rotura de la presa liberó casi 6 millones de m3 de
residuos tóxicos, afectando un área de unos 62
km2 del Parque Nacional de Doñana (Huelva).
Exxon Valdez
El accidente se produjo el 24 de Marzo de 1989.
Derrame de millón y medio de barriles de crudo
(37.000 toneladas de hidrocarburo).
Afectó a las costas de Alaska, causando una marea negra en más de 2.000 km de costa.
Biodeterioro
Proceso de destrucción de un material por organismos vivos o por productos de su metabolismo.
Corrosión de estructuras metálicas
Degradación del hormigón
Acidithiobacillus
thiooxidans
Desulfovibrio desulfuricans
Obras de arte
Degradación de combustibles fósiles
Amorphoteca resinae (Hormoconis resinae)
Methanococcus maripaludis
Biotecnología
Organismos modificados genéticamente
(OMGs)
Proteínas recombinantes
Genomas recombinantes
Microbiología Industrial y Biotecnología
Los procesos de utilización industrial de los
microorganismos por los humanos, inicialmente
basados en ensayos y errores, y más tarde desarrollados en tecnologías, se denominan colectivamente “Microbiología Industrial”.
El desarrollo de la Ingeniería Genética a finales de los años 1970 marca la
aparición de la Biotecnología, ciencia que
integra conocimientos de otras disciplinas
-Microbiología, Bioquímica, Genética, etc.con el objetivo de “optimar el empleo
de seres vivos para obtener productos
útiles”.
Según dónde se aplica, se habla de:
Medicina
Industria
Agricultura
Marina/Dulceacuícola
Ingeniería Genética y tecnología del ADN recombinante
ADN bc vírico
Extracción del
ARN del virus
Paul Berg (1926)
ARN
Aislamiento del gen
vírico de interés e
introducción en el
plásmido
Transcriptasa
inversa
Vector de
clonación
Endonucleasa
de restricción
+
Plásmido de
levadura
Aparición de
inmunidad frente al
virus
David Baltimore
(1938)
ADN ligasa
Integración del plásmido
híbrido en el núcleo de una
célula de levadura
Werner Arber
(1929)
Vector de
expresión
La levadura fabrica la proteína
víricas con poder inmunogénico
Howard M. Temin
(1934-1994)
Inyección de las proteínas
víricas en un chimpancé
Hamilton O. Smith
(1931)
Tecnología del ADN recombinante y biotecnología
La tecnología del ADN recombinante ha abierto áreas totalmente nuevas de investi-ación y
de Biología aplicada, y constituye una parte esencial de la Biotecnología, que en la actualidad
se encuentra en fase de rápido crecimiento y desarrollo.
La promesa que ofrece la Biotecnología para la Biología
básica, la Medicina y la Salud, la Agricultura y la Industria
en general, es enorme.
Ha permitido utilizar microorganismos, plantas
y animales transgénicos, como biorreactores para producir fármacos, antígenos vacunales, grasas
buenas, u otros productos de utilidad.
Ha posibilitado la clonación de animales.
Dolly (1996-2003) y su creador Ian Wilmut (Roslin Institute, Edimburgo, Escocia)
Ha permitido la secuenciación completa del genoma humano (Febrero, 2001) y, con ella, la posibilidad de conocer la base molecular de ciertos comportamientos humanos, de la longevidad, de enfermedades y malformaciones, etc.
Organismos remodelados genéticamente
Sitio de clonación múltiple
(lugar de inserción del
transgen de interés)
Se denomina organismo modificado genéticamente (OMG) Promotor
a “cualquier ser vivo cuyo material genético ha sido modi- del gen de
ficado mediante técnicas de Ingeniería Genética”. Según la interés
modificación genética experimentada se establecen 3 tipos
de OMGs, a saber: los “transgénicos”, que expresan genes
que pertenecen a otra u otras especies distantes y no compatibles sexualmente; los “cisgénicos”, que albergan en su genoma genes provenientes de especies relacionadas y sexualmente compatibles, y los “intragénicos”, sin portar genes extraños en su genoma, muestran modificado o suprimido el paOrigen de
trón de expresión de alguno o varios de sus genes.
replicación
Entre las aplicaciones de los OMGs figuran:
autónomo
La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo
embrionario y su regulación.
Estudiar la función de genes específicos.
Manipular de forma específica la expresión génica in vivo
para incrementar la síntesis de determinada proteína.
Su uso como centros de producción de proteínas humanas.
Resistencia a infecciones, herbicidas, metales pesados, etc.
Tratamiento del cáncer (viroterapia).
Alimentos saludables y/o más nutritivos.
Vacunas comestibles.
La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia génica.
Donación de órganos para xenotrasplantes.
Perpetuación de especies amenazadas con extinguirse.
Promotor del
gen de selección
Vector de
clonación
Gen de
selección
Obtención en horticultura de variedades coloreadas imposibles de lograr mediante cruzamiento o hibridación
Tomate azul (gen de la antocianina, del arándano
azul). Inst. Biología Molecular y Celular de Plantas
de Valencia, 2006
Rosa azul (gen de la delfidina de la petunia y gen
silenciador de la cianidina, responsable del color
rojo natural de Rosa gallica), Florigene, 2004
Fresa azul (resistente al frío, expresa el gen AFP de la platija
del Atlántico –Liopsetta glacialis-,). Universidad de Cornell
(Ithaca, Nueva York). Marzo de 2012
¿Transgénesis o ficción?
El 8 de Octubre del 2008 los
estadounidenses Roger Y. Tsien
y Martin Chalfie, junto al japonés Osamu Shimomura, recibieron el Nobel de Química 2008
por descubrir y desarrollar la
GFP, un marcador hoy día indispensable para la Biología y la
La medusa Aequorea victoria, Medicina modernas.
frecuente en las costas occidentales de Norteamérica, porta en
su genoma el gen de la “proteína
verde fluorescente” (GFP, siglas del inglés “Green Fluorescent Protein”): esta proteína
convierte en verdes los flashes
de luz azul emitidos por la fotoproteína “aequaorina”, valiéndose
de ellos, la medusa emite bioluminiscencia verde-azulada en la
oscuridad.
Albert Einstein
Los microorganismos son imprescindibles para nuestra salud
y la salud del Planeta