14. microbiología – ingeniería genética
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14. MICROBIOLOGÍA – INGENIERÍA GENÉTICA- BIOTECNOLOGÍA 1. MICROBIOLOGÍA A. CONCEPTO DE MICROORGANISMO. DIVERSIDAD Y CLASIFICACIÓN. B. LOS MICROORGANISMO Y SU RELACIÓN CON OTROS ORGANISMOS C. GRUPOS DE MICROORGANISMOS i. BACTERIAS ii. ARCHEOBACTERIAS iii. VIRUS iv. OTRAS FORMAS ACELULARES v. CIANOBACTERIAS Y MICOPLASMAS vi. HONGOS MICROSCÓPICOS vii. PROTOZOOS viii. ALGAS MICROSCÓPICAS D. METODOS DE ESTUDIO DE LOS MICROORGANISMOS E. UTILIZACIÓN DEL MICROSCOPIO ÓPTICO Y ELECTRÓNICO F. TÉCNICAS DE TINCIÓN G. ESTERILIZACIÓN Y PASTEURIZACIÓN. H. LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS I. LOS MICROORGANISMOS COMO AGENES PRODUCTORES DE ENEFERMEDADES 2. INGENIERÍA GENÉTICA A. CONCEPTO Y APLICACIONES B. INGENIERÍA GENÉTICA i. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE ii. APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA 3. BIOTECNOLOGÍA A. CONCEPTO Y APLICACIONES B. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA C. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA D. BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMIENTE E. BIOTENOLOGÍA APLICADA ALA INDUSTRIA AGROPECUARIA 4. EJERICIOS DE SELECTIVIDAD 5. PRACTICAS 1. MICROBIOLOGÍA A. CONCEPTO DE MICROORGANISMO. 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 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 5 grupos de microorganismos: bacterias, algas, hongos, protozoos, 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 situan por encima del nivel de reinos. Todas ellos proceden de un antepasado procariota común, al que se denomina LUCA (Last Universal Cellular Antecesor). 211 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. Tanto Bacteria como Archaea son verdaderas procariotas pero sus diferencias evolutivas son tan grandes que ambos difieren tanto entre sí como con las eucariotas. El dominio Eukarya son organismos eucariotas. Clasificación de r.H. Whittaker y L. Margulis es la denominada de 5 reinos: Reino Monera: organización procariota. Bacterias y Arqueobacterias Reino Protocticsta: 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 y Reino Metazoos (animales). B. LOS MICROORGANISMO 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: o Rumiantes: para poder degradar la celulosa tienen en su estómago, bacterias, protozoos. o Insectos xilófagos: las termitas utilizan protozoos para degradar la celulosa y la lignina. o Humanos: tenemos bacterias que producen fermentaciones y sintetizan vitaminas. o Nódulos radicales de las leguminosas: asociación de bacterias del género Rhizobium y leguminosas, donde se produce la fijación de nitrógeno atmosférico. o Micorrizas: relación entre hongos y raíces de plantas, para aumentar la superficie de absorción de agua y sales Micorrizas Rhizobium 212 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 1. 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 (estilococos); 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 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. 213 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 como responden a la tinción de Gram) que dividen a las bacterias en dos grandes grupos: Gram – y Gram + CARACTERÍTICA GRAM + ESTRUCTURA Una sola capa delgada TEXTURA EXTERNA Mas o menos lisa. GRAM Estructura multilaminar, compleja y gruesa. Rugosa como “piel de naranja” COMPOSICIÓN QUÍMICA 90% peptidoglucano y ácido teicoico. 5- 20% peptidoglucano y el resto lipopolisacarido externa a la pared celular. 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 tretapeptido 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. 214 La estructura del peptidoglucano está presente únicamente en los procariotas y el monosacárido Nacetilmurámico nunca se encuentra en eucariotas, como 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 peptidogucano tienen una capa con ácidos teicóicos como componente más típico. Los componentes de su pared son los responsables de su carácter antigénico. Cando la bacteria carece de pared se denomina protoplasto, estado en que la bacteria es muy delicada. GRAM + GRAM – Cápsula bacteriana La presentan muchas bacterias por fuera de la pared, de un grosor entre 100-400 A. con aspecto viscoso y formada por polisacáridos, polialchololes o aminoazúcares. Sus funciones están relacionas 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. 215 Es un trenzado helicoidal de fibrillas de una proteína, la flagelina. Está formado por un tallo, que sale de la bacteria, con un grosos de 100-200 A. este tallo se fija a la pared por una parte basal, formada por 4 anillos discoidales, al menos uno de ellos tiene capacidad de giro, que trasmite impulso a la bacteria. Según el nº y posición de los flagelos, las bacterias pueden ser diferenciadas y clasificadas. A-Monótricas; B Lofótricas C- Anfítrica; D- Perítricas Atrícas- sin flagelos Pelos bacterianos, fimbria o Pili Se encuentran sólo en Gram -. Son filamentos superficiales, delgados, huecos (40-80 A), formados por pilina. su misión esta 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 70 S. aparecen inclusiones de reserva de polisacáridos, almidón, lípidos, volutita (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 uno 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 Plasmados conjugativos: tienen genes relacionados con la formación de Pili sexuales necesarios en la conjugación. Factor F (fertilidad), Factor R (resistencia antibióticos) Actividad 1: Elabora un cuadro comparativo entre bacterias Gram+ y Gram-. 216 Actividad 2: ¿Qué funciones desempeñan los mesosomas en la célula? Actividad 3: ¿Qué es la cápsula bacteriana? ¿Qué funciones desempeña? Actividad 4: Pon el nombre a las flechas que aparecen en el dibujo: Actividad 5: ¿Qué semejanzas y diferencias encuentras entre los flagelos y los pelos bacterianos? ¿Y entre los flagelos bacterianos y eucariotas? 2. 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 son la 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. 217 Autótrofas quimiosintéticas: utilizan la energía que se desprende de la oxidación de ciertos compuestos inorgánicos. LA QUIMIOSÍNTESIS La mayoría de los organismos que obtienen su energía a partir de la oxidación de compuestos químicos inorgánicos son bacterias; Y se las denomina litótrofas (comedoras de piedra); La mayoría de ellas obtienen su fuente de carbono del CO2, por lo que son autótrofas; Lo reducen de manera semejante a como lo hacen los organismos fotosintéticos, pero lo que es distinto es, como sabemos, 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. 2H2 + O2 2 H2O hidrogenasa 4H++ 4 e- + O2 2 H2O +ATP 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 elemenal) - S2O32- (ortofosfato) SH2 + ½ O2 → S + H2O energía 2S + 3 O2 + 2 H2O →2 H2SO4 energía 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. 2 NH3 + 3 O2 --------2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O energía BACTERIAS NITROSIFICANTES (Nitrosomonas) NO2- + ½ O2 ---------NO3 energía BACTERIAS NITRIFICANTES ( Nitrobacter) 4. BACTRIAS DEL HIERRO 4 Fe2+ + 4 e- + 4H+ + O2 4 Fe 3+ + 2 H2O Ferroso férrico 218 La cantidad de ATP formado es directamente proporcional a la cantidad de energía liberada en una determinada oxidación, y la energía que libran 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+ sólo pude ser reducido por el H 2, 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, bacterias fotosintéticas. 3. 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 lugar 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: a) Transducción: que estudiaremos en los virus. b) Transformación: ADN libre que se introduce en una célula. c) 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 tansformadas, se las llama competentes, parece ser una característica hereditaria y varia 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. 219 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 entre cruzamiento 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+ → FLa 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 ésta bacteria también tiene en su citoplasma el factor F y por tanto ya es una bacteria donadora F+. + F+ F+ F- F+ Paso de información de HFR → F- Lo primero que vamos a ver es la integración del plásmido en el cromosoma bacteriano: liberación HFR F+ integración 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. HFR aaa F- pero con un fragmento nuevo de ADN de la bacteria donadora. 220 4. 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 condicions sean las 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, 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. Actividad 6: ¿Qué se entiende por bacterias Hfr? ¿En qué se diferencian de las F- y de las F+? Actividad 7: En la respiración de las bacterias nitrificantes ¿cuáles son los donadores de electrones y el aceptor final de electrones? ii. ARCHEOBACTERIAS. 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 (pseudopeptidoglicano) MEDIO AMBIENTE Muchos Archaea se encuentran adaptados a condiciones de vida extremas, por ello se les denomina extremófilos. Algunos de estas arqueobacterias son: ♦ Termófilas: se desarrollan a elevadas temperaturas, superiores a 45ºC, aunque algunas son capaces de vivir por encima de 80ºC (hipertermófilas) como aquellas que vivien en surgencias termales submarinas. ♦ Psicrófilas: pueden vivir a bajas temperaturas. Su temperatura óptima son 4ºC, 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 kárticas delnorte 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 a poder 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. 221 iii- VIRUS 1. ESTRUCTURA Los virus se encuentran en el umbral que separa lo vivo de lo no vivo. No son formas celulares y no pueden moverse ni nutrirse independientemente. Solo pueden reproducirse dentro de una célula viva a la que parasitan. Podemos decir que un virus vive cuando se encuentra en el interior de una célula viva, por lo que todos los virus son parásitos celulares. Los virus se propagan de célula a célula en forma de partículas infecciosas llamadas viriones o partícula viral. Son muy pequeños, los más grandes apenas llegan a los 200 nm1 de diámetro, solo se han podido observar con el microscopio electrónico. Un virus o virión esta formado por: a) Un ácido nucleico: ADN o ARN, nunca ambos a la vez. El ARN puede ser bicatenario o monocatenario lineal; y el ADN puede ser monocatenario o bicatenario, lineal o circular. En ocasiones pueden tener el genoma fragmentado. Si el ácido nucleico tiene la misma polaridad que el ARNm (5’→3’) se le denomina cadena positiva (+), si la polaridad es contraria, se le denomina cadena negativa (-) b) Una cubierta protéica que rodea al ácido nucleico, llamada cápsida, formada por unidades que se repiten, llamados capsómeros. c) En algunas ocasiones una envoltura externa o cubierta, similar a la membrana plasmática, que obtiene de las células a las que parásita, junto con proteínas codificadas por el genoma vírico, conocidas como espículas. d) Algunos poseen algunas enzimas, como polimerasas, para trasncribir el material genético a ARNm ; pueden tener una transcriptasa inversa, para transcribir el ARN a ADN. Algunos virus bacterianos (bacteriofagos) tienen lisozimas, para destruir la pared bacteriana de la bacteria a la que parasita. 2. CLASIFICACIÓN DE LOS VIRUS Los virus se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios. Según el tipo de cápsida distinguimos: 1. Helicoidales: los capsómeros se disponen en hélice y el ácido nucleico queda aprisionado entre las espiras de la hélice. Ej: virus del mosaico del tabaco. 2. Icosaedrico: tiene forma regular de poliedro. Estos virus tienen dos tipos de capsómeros: los hexones (grupos de 6 proteínas) que forman las aristas y las caras del icosaedro y los pentones (grupos de 5 proteínas) que forman los vértices. La cápsida es hueca y en su interior se coloca el ácido nucleico. Ej. Poliomielitis. 3. Bacteriofagos o virus complejos: son una mezcla de las dos estructuras anteriores, son virus complejos. Tienen una cabeza icosaedrica hueca en donde se aloja el ácido nucleico y una cola helicoidal contráctil y hueca, rodeada por una vaina y en su centro un eje tubular, que utilizan para inyectar su ácido nucleico. En la base de la cola tienen unas fibras y unas espinas que utilizan para fijarse a la superficie de la célula a la cual parasitan. Son los virus que parasitan a bacterias. 1 Nm= nanómetro = 10 –9m 222 Otro criterio sería la presencia o ausencia de envoltura, los virus helicoidales y los icosaedricos pueden tener envoltura, por ejemplo el virus de la gripe es un virus helicoidal con envoltura y el de la varicela y herpes es un virus icosaedrico con envoltura. Otra forma de clasificación sería el tipo de célula a la que parasitan: pueden ser parásitos de animales, vegetales o de bacterias (conocidos como fagos o bacteriofagos) Un hecho a destacar en que los diferentes tipos de virus están adaptados a atacar un solo tipo de células: los virus que parasitan bacterias no atacan a animales y al contrario, hasta el punto de que hay virus que solo parasitan un tipo de células dentro de un tipo de organismo. Esto nos hace pensar que los virus pueden ser fragmentos de ácido nucleico que originariamente formaran parte de las células, de modo que solo parasiten al tipo de célula del que derivaron. Así mismo los podremos clasificar ateniendo al tipo de ácido nucleico, esta es la más compleja, ya que nos encontramos con todo tipo de posibilidades: ADN (1C/2C) circular o lineal; ARN (1C/2C); y las diferentes polaridades. Aquí tenemos algunos ejemplos de virus y sus patologías: TIPO DE ACIDO NUCLÉICO SIMETRIA CÁPSIDA DE HELICOIDAL ARN ICOSAEDRICA HELICOIDAL ADN ADN O ARN LA DESNUDO O ENVOLTURA DESNUDO CON EJEMPLO Virus del mosaico de tabaco. ENVOLTURA Paperas, rubéola, SIDA, gripe. DESNUDO Poliomielitis. ENVOLTURA Rubéola, fiebre amarilla DESNUDO Infecciones en perros. ENVOLTURA Viruela. DESNUDO Infección de amígdalas, verrugas Herpes labial y genital, varicela, herpes zóster ICOSAEDRICO ENVOLTURA COMPLEJA DESNUDO Bacteriofagos. 3. MULTIPLICACIÓN VÍRICA Vamos a estudiar como se reproducen los virus, en uno de los grupos más estudiados que son los bacteriofagos, y en uno en especial el fago T4, que es un virus de ADN bicatenario y circular. El virus va a parasitar a la célula para poder autorreproducirse (sintetizar copias de su ADN y su cápsida), ya que el solo no puede hacerlo, necesita la maquinaria bioquímica y los orgánulos de otra célula para poder hacerlo. 223 FAGO T4 FAGO LAMBDA Existen dos tipos de infección con algunos pasos comunes: CICLO DE INFECCIÓN LÍTICA 1. Adsorción del virus: Inicialmente el fago fija su cola, mediante las fibras y las espinas a receptores específicos de la pared bacteriana (el fago no puede unirse en cualquier lugar). En el caso de otro tipo de virus, siempre deberán existir receptores en la membrana de la célula a la que se infecta que permita la entrada del virus al interior. 2. Fase de penetración: los bacteriofagos liberan una enzima, llamada lisozima, localizada en la cola del virus, que debilita los enlaces de la pared bacteriana. Posteriormente se contrae la vaina helicoidal, lo que provoca la inyección del contenido de la cabeza a través del eje tubular de la cola del fago: y el ácido nucleico penetra en la célula. En el caso de virus desnudos, introducen toda la nucleocápsida, sea por penetración directa (perforando la membrana con enzimas) o por endocitosis. En el caso de virus envueltos, funden su cubierta con la membrana de la célula huésped. 3. Fase de eclipse: Una vez dentro, el virus interrumpe el normal funcionamiento de la célula y el ADN bacteriano se degrada. A partir de ese momento será el ADN del virus el que entre en funcionamiento y dicte las órdenes. Los genes víricos poseen la información necesaria para, utilizando los orgánulos y las enzimas celulares autorreplicarse (proteínas tempranas) y fabricar muchas copias de su ADN y fabricar todos los capsómeros (proteínas tardías) necesarios para formar muchas cápsidas, no olvidar que los capsómeros son proteínas, por último se sintetizan las enzimas líticas , que abren la célula hospedadora para liberar los nuevos virus. Como el genoma vírico es extraño a la célula, puede ser atacado por enzimas de restricción, degradándolo. Penetración no siempre implica infección. 4. Ensamblaje de los nuevos virus: Tanto las copias del ADN como el resto de los componentes víricos que han sido sintetizados, se ensamblan dando lugar a los nuevos virus. 5. Liberación: En una bacteria pueden formarse hasta 150 fagos, que producen una lisozima que lisa (rompe) la pared bacteriana, la célula muere definitivamente y los fagos quedan en libertad para infectar nuevas células. En el caso de virus envueltos, la realizan mediante gemación o aprovechando la exocitosis de la célula o abriendo agujeros, como en el caso de los desnudos. Se llama por tanto infección lítica porque la célula queda rota y lisada después de la infección. CICLO DE INFECCIÓN LISOGÉNICA. No siempre se produce la lisis inmediata de la célula. Existe un tipo de fagos, los llamados fagos atemperados o atenuados, que se integran en el ADN bacteriano por entrecruzamiento de dos regiones idénticas en el fago y en la bacteria, lógicamente no todas las bacterias permiten esta integración sólo las llamadas bacterias lisogénicas. 224 Estos fagos integrados se denominan profagos y se replican pasivamente con el ADN bacteriano. El fago puede liberarse espontáneamente del ADN bacteriano por las agresiones ambientales, que debilitan la bacteria y llevar a cabo un ciclo lítico, matándola. En casos la liberación puede ser lenta, produciendo virus de una manera lenta y constante, esto se conoce como infección persistente y cuando el virus es lisogénico, como la reproducción está retardada, se conoce como infección latente. A veces, cuando el fago se libera no lo hace por el mismo punto por el que se unió y se lleva parte del material genético de la bacteria. Cuando este fago infecte a otra bacteria lisogénica, le transferirá dicho fragmento de ADN bacteriano, convirtiendo a esta bacteria receptora en diploide parcial para dicho fragmento. Este fenómeno se denomina TRANSDUCCIÓN. 4. CICLO DE UN RETROVIRUS: VIH El VIH-1 (virus de inmunodeficiencia humana de tipo 1) es un retrovirus de la familia de los lentivirus. Los retrovirus son virus de ARN que se reproducen transformándose en ADN y empleando el material genético de la célula que atacan. Los retrovirus a veces destruyen las células a las que atacan; eso ocurre en el caso del VIH. Las células diana de este virus son los linfocitos T del sistema inmune. Las enfermedades causadas por lentivirus tienen ciertas similitudes: Están caracterizadas por largos períodos durante los que la enfermedad está activa, pero no hay síntomas aparentes. El virus es capaz de hacer múltiples copias de sí mismo y de matar células del sistema inmunitario al hacerlo. Con el tiempo, el sistema inmunitario no puede controlar la cantidad de virus activo que circula en la sangre. 225 Así es como el VIH aumenta su cantidad: 1. Fijación e infección: El VIH se fija a la célula anfitriona en dos sitios conocidos como sitos receptores. La membrana que recubre el virus se fusiona a la pared de la célula anfitriona. Después, el VIH penetra en la célula. A continuación, parte de la cubierta del centro se desprende y el VIH vacía su ARN, enzimas y otro material en el citoplasma de la célula anfitriona. 2. Transcripción inversa: El virus empieza a hacer una copia de sí mismo. En el primer paso de este proceso, la enzima transcriptasa inversa salta de una hebra de ARN viral a la otra y forma ADN de doble hebra a partir del ARN viral. Pueden ocurrir muchos errores en este paso, dando como resultado mutaciones, o virus con estructuras ligeramente diferentes de los originales. Debido a que se hacen copias 10 mil millones de veces por día, hay muchas oportunidades para que se originen estas mutaciones, algunas de las cuales pueden ser resistentes a ciertos medicamentos. 3. Integración: Este "provirus” ahora se transporta al núcleo de la célula anfitriona. Allí, la enzima viral integrasa incorpora el ADN proviral al ADN de la célula anfitriona. 4. Transcripción: Otra enzima toma el ADN viral y lo transcribe al ARN mensajero, o ARNm, que actúa como una plantilla para la creación de nuevas proteínas virales. 5. Traducción: La traducción del ARNm da como resultado la síntesis de 3 poliproteínas. 6. Ensamblaje viral: Conjuntos de nuevas proteínas virales y de ARN viral se unen cerca de la superficie de la célula infectada. Este material contiene la información genética y las diversas enzimas y proteínas necesarias para crear un VIH maduro. 7. Gemación y maduración: El virus inmaduro empuja y sale de la célula anfitriona, llevándose parte de la membrana celular. Cuando el virus inmaduro está en proceso de gemación o poco tiempo después, la enzima proteasa corta las cadenas de proteínas del nuevo virus en proteínas individuales más pequeñas de forma y tamaño específicos; este proceso se conoce como segmentación. Estas proteínas recién cortadas hacen que éste sea un virus maduro. Este virus maduro ahora es capaz de infectar otras células T CD4. 226 Actividad 8: Define los conceptos siguientes: virión, provirus, transcriptasa inversa, bacteria lisogénica, lisozima. Actividad 9: ¿Qué fase del ciclo reproductor de un virus es distinta según sea el ciclo lítico o lisogénico? Actividad 10: ¿Qué excepciones representan los virus a la teoría celular, a la transcripción del ADN, a las funciones vitales que marcan a los seres vivos y a la disposición lineal de los genes? Actividad 11: En el laboratorio se obtuvo un fago con la cápsida del fago T2 y el ADN del fago T4. Si este fago infecta una bacteria los fagos descendientes tendrán la cápsida del fago………..y el ADN del fago……… justifica tu respuesta. Actividad 12: Con relación a los virus: a. Defina qué es un virus y mencione sus características biológicas más importantes b. Mencione dos criterios diferentes utilizados en la clasificación de los virus c. Explique las diferencias que existen entre los ciclos lisogénico y lítico de un virus d. Cite dos enfermedades humanas causadas por virus Actividad 13: El virus VIH es el causante de la enfermedad denominada síndrome de inmunodeficiencia adquirida más conocida por SIDA y su material genético es ARN. a. Mencione dos mecanismos o vías de transmisión o contagio de este virus. b. ¿Qué tipo de células son el blanco de este virus? c. ¿Cómo se denomina el proceso por el que el ARN del virus pasa a ADN? d. ¿Cómo se denominan los virus animales cuyo material genético es ARN y que realicen el proceso descrito en el apartado c? 227 Actividad 14: Observa la siguiente gráfica y deduce la relación del virus del SIDA con los linfocitos y si este virus afecta por igual a la respuesta inmune humoral y a la celular. iv- OTRAS FORMAS ACELULARES 1. VIRIOIDES Son moléculas de ARNmc circular que carecen de cualquier protección , que utilizan la ARN polimerasa del hospedador para su replicación. Aparecen en el núcleo de la célula huésped interfiriendo la expresión de los genes. Causan enfermedad en vegetales. 2. PRIONES Son glucoproteínas, se la denomina proteína prionica (PrP) y pueden tener dos conformaciones tridimensionales: – Proteina prionica celular (PrPc): normal, con mayoría de hélices α. –Proteína prionica scrapie (PrPsc): con mayoría de hélices β. Esta se vuelve: insoluble, resistente a altas temperaturas y a la digestión por enzimas. ENFERMEDADES DEBIDAS A PRIONES: •Encefalopatía espongiforme bovina: Cuando la proteína patógena entra en contacto con la celular, produce en esta un cambio conformacional, trasformando las α- hélice en láminas ß, comenzándose un efecto cascada. •Enfermedad de Creutfeldt-Jacob: –Transmitida por la ingestión de carne contaminada (transmisión horizontal) –Debida a una mutación genética en el gen de la proteína (transmisión vertical). v- CIANOBACTERIAS Y MICOPLASMAS ♦ CIANOBACTERIAS 228 Las cianobacterias se conocen también como algas verdeazuladas o cianofíceas, nombres que le vienen de que muchas presentan una coloración azul verdosa a causa del pigmento ficocianina de color azul y por la clorofila verde; no obstante, existen cianobacterias de colores muy variados según los pigmentos que contengan. Las que contienen el pigmento ficoeritrina, de color rojo, como las que abundan en el mar rojo. Son organismos fotosintéticos con organización celular procariota como las eubacterias y pueden superar cambios importantes de pH, temperatura y salinidad; algunas también pueden fijar dióxido de carbono y nitrógeno atmosférico, lo que las hace muy autosuficientes. Las hay que carecen de pared celular, y entre ellas se encuentran las que se asocian con hongos para formar los líquenes. De su estructura destacan: • Una envoltura gelatinosa • • • • La pared celular El ADN situado en la parte central de la célula o centroplasma Las láminas con clorofila o tilacoides situadas en el resto del citoplasma o cromoplasma Los ribosomas. Morfológicamente, son muy semejantes a las bacterias fotosintéticas. Algunas viven solitarias, pero con frecuencia forman colonias de distintas formas, siendo típicas las filamentosas, rodeadas por una envoltura gelatinosa que da mayor consistencia a la colonia y en la que se suelen presentar unas células incoloras denominadas heterocistos que tienen la función de fijar nitrógeno atmosférico. Aunque son procariotas, se diferencian de las eubacterias fotosintéticas por la presencia de unas estructuras semejantes a los tilacoides de los cloroplastos y porque utilizan agua como fuente de electrones, por lo que su fotosíntesis es oxigénica. Debido a su estructura tan simple y a que utilizan sustancias muy sencillas para satisfacer sus necesidades de materia, junto con su actividad fotosintética, se las ha considerado como organismos causantes de la transformación de la atmósfera primitiva anaerobia en la actual aerobia. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE CIANOBACTERIAS ESTRUCTURA HÁBITAT COLONIAS LOCOMOCIÓN PIGMENTOS ASOCIADAS REPRODUCCIÓN GÉNEROS Pared celular, vaina gelatinosa, tilacoides, heterocistos, ADN, ribosomas Aguas dulces y saladas. Aguas termales de hasta 85ºC. Planas filamentosas, esféricas, ramificadas e irregulares. Sin medios de locomoción, se mueven reptando y mediante oscilaciones. Clorofila a, β- caroteno, ficocianina, ficoeritrina. Como simbiontes con hongos, parásitas y con plantas epífitas. Por división celular, por fragmentación de colonias y por esporas. Gleocapsa, Oscillatoria, Nostoc, Anabaena, Spirulina. ♦ MICOPLASMAS Los micoplasmas son las células más pequeñas de vida libre que se conocen. Tienen organización procariota, al igual que eubacterias y cianobacterias, aunque presentan una gran diferencia: carecen de pared celular y están rodeados por una membrana lipoproteica. Contienen ADN circular bicatenario, ARN, ribosomas y diversas proteínas. Su genoma es más sencillo que el de las bacterias. Por su pequeño tamaño y por su facilidad para deformarse, al carecer de pared celular, atraviesan fácilmente los filtros que retienen las bacterias. 229 Se conocen unas setenta especies; unos viven en relación de comensalismo en plantas, animales o humanos; otros son parásitos y producen enfermedades. En el hombre se encuentran como comensales en las mucosas oral y urogenital, pero, sin duda, el más conocido y estudiado ha sido Mycoplasma pneumoniae, que es el agente causante de la neumonía atípica, afectando a los epitelios de las mucosas presentes en el aparato respiratorio. Puesto que los antibióticos destruyen o debilitan la pared celular de las bacterias y los micoplasmas carecen de ella, no son eficaces para combatirlos. vi- HONGOS MICROSCÓPICOS Pertenecen al Reino Fungi. Son organismos eucariotas y heterótrofos (descomponedores). Presentan paredes rígidas formadas por quitina. Ecología: algunos acuáticos, la mayoría terrestres (saprófitos), parásitos (micosis), simbiosis (líquenes) 1. MOHOS (hongos microscópicos pluricelulares): están formados por filamentos celulares, llamadas hifas que, en conjunto forman un cuerpo vegetativo, denominado micelio. La reproducción asexual es mediante esporas haploides que generarán un nuevo micelio o por la simple fragmentación del micelio para dar otros nuevos. La reproducción sexual se produce por la formación de cuerpos especializadas con más de un núcleo haploide (denominadas gametangios) que se fusionan dando lugar a nuevas estructuras, con varios núcleos diploides que se pueden considerar cigotos, que tras un periodo de latencia y en condiciones adecuadas (y previa meiosis) dan lugar a esporas haploides que originarán nuevos micelios. Ecología: se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza, pudiendo vivir en condiciones extremas: sequedad, acidez extrema, exceso de azúcar. Ejemplos importantes: Moho del pan (Rhizopus); moho de la fruta (Penincillium), este es especialmente importante debido a que produce antibióticos. 2. LEVADURAS (hongos microscópicos unicelulares): tienen forma cilíndrica u oval. Se reproducen asexualmente mediante gemación y sexualmente mediante esporas. Ecología: Están adaptadas a vivir en medios ricos en azucares (frutas, flores, corteza de árboles). Pueden vivir en simbiosis con animales o ser patógenos. Ejemplos importantes: aquellos que se utilizan en microbiología industrial para producir fermentaciones alcohólicas (Saccharomyces); especies patógenas (Candida). Penicillium Saccharomyces cerevisiae Vii- PROTOZOOS Son eucariotas unicelulares heterótrofos. Sin pared celular y pueden tener movilidad. Reproducción: Su reproducción asexual es por división binaria o gemación. La reproducción sexual por conjugación (en la que hay fusión de gametos). Nutrición: mediante fagocitosis o pinocitosis. Ecología: viven en medio acuático, en el suelo, sobre materia orgánica o son parásitos (muchos de ellos causan enfermedades). Movimiento: cilios, flagelos, pesudópodos, los parásitos son inmóviles. (Esta característica se utiliza para su clasificación). 230 Ejemplos importantes: Forman parte del plancton (dinoflagelado, Paramecium), forman depósitos minerales (foraminíferos), parásitos (Plasmodium- paludismo/ Trypanosoma- enfermedad del sueño/ Entamoeba-disentería). Entamoeba Trypanosoma Plasmodium Paramecium viii- ALGAS MICROSCÓPICAS Son eucariotas autótrofas unicelulares, que realizan fotosíntesis oxigénica. Reproducción: Se reproducen asexualmente mediante bipartición, fragmentación o por esporas. La reproducción sexual pueden llevarla a cabo en alternancia de generaciones o por un tipo especial de conjugación. Nutrición: llevan a cabo la fotosíntesis oxigénica, con pigmentos como clorofilas, carotenoides y ficobilinas. (La combinación de pigmentos se utiliza para su clasificación) Ecología: son unicelulares o coloniales. Acuáticas (agua dulce o salada). Movimiento: presentan flagelos de manera constante o en algún momento de su ciclo vital, que les permiten moverse por el medio acuático. Ejemplos importantes: todas forman parte del fitoplancton (producción de oxígeno y base de los ecosistemas acuáticos). Dinoflagelado Diatomeas Euglena 231 D. MÉTODOS DE ESTUDIODE LOS MICROORGANISMOS i- CRECIMIENTO MICROBIANO Se denomina crecimiento microbiano al incremento del número de células de una población microbiana, en una curva exponencial. En el laboratorio los microorganismos se cultivan en medios de cultivo líquidos o semisólidos, normalmente son, cultivos discontinuos o cerrados, ya que se incuban en recipientes cerrados a los que se les suministra nutrientes inicialmente y no se retiran los productos de desecho que se van generando con el crecimiento de la población. En ocasiones es conveniente mantener los cultivos en condiciones constantes durante largos periodos, suministrando de manera periódica medio de cultivo fresco y eliminando el “gastado” con células muertas y desechos, este tipo de cultivo se denomina cultivo continuo. FASES DEL CRECIMIENTO MICROBIANO (en un medio cerrado) Fase de latencia: es el periodo comprendido entre la inoculación de los microorganismos y el comienzo del crecimiento. Fase exponencial: los microorganismos crecen y se dividen hasta el nivel máximo posible, en función de sus características genéticas, el medio, espacio... Fase estacionaria: cesa el crecimiento de la población, ya que no hay suficiente alimento o espacio. Fase de muerte: las células empiezan a morir, bien por falta de nutrientes o por la acumulación de productos tóxicos en el medio producidos por su propio metabolismo. ii. MEDIO DE CULTIVO Un medio de cultivo en un preparado que contiene todos los nutrientes necesarios para el crecimiento microbiano, tanto macro como micronutrientes y agua en grandes cantidades. Puede ser líquido o semisólido cuando se utiliza una sustancia solidificante, el agar-agar- muy utilizado en el laboratorio y que se extrae de las algas rojas. En este caso el medio se coloca en tubos de ensayo o placas de Petri, donde los microorganismos crecen, ayudados por una fuente de calor. Hay que esterilizar estos medios antes de inocular el microorganismo para su crecimiento. Si atendemos a su composición, pueden ser medios sintéticos que contienen fuente de carbono, fuente de nitrógeno, sales que suplan iones y demás elementos tales como estimuladores del crecimiento; medios complejos que contienen ingredientes tales como extracto de levadura, peptona, infusión de cerebro, etc., ricos en nutrientes; medios de enriquecimiento, siendo estos complejos con aditivos adicionales para favorecer así al crecimiento y desarrollo de determinados microorganismos y en particularmente a los heterótrofos exigentes; medios selectivos, los cuales son diseñados para favorecer el crecimiento específico de un microorganismo específico o un grupo microbiano; medios diferenciales que proporcionan la distinción microbiana de una mezcla por sus propiedades diferenciales de crecimiento en dichos medios. En cuanto al control de la temperatura y observación del proceso metabólico y de la morfología celular, cada especie microbiana tiene una temperatura ideal de crecimiento, de este modo se observa la siguiente 232 clasificación de grupos: psicrófilas: capaces de desarrollarse a 0ºC o menos, aunque crecen mejor a temperaturas superiores, cercanas a 15º o 20ºC.; mesófilas: crecen mejor en límites de temperatura que están entre 25 y 40ºC.; y termófilas: crecen mejor entre 45º y 60ºC. E. UTILIZACIÓN DEL MICROSCOPIO ÓPTICO Y ELECTRONICO Un microscopio óptico es un microscopio basado en lentes ópticas. El desarrollo de este aparato suele asociarse con los trabajos de Anton van Leeuwenhoek. Los microscopios de Leeuwenhoek constaban de una única lente pequeña y convexa, montada sobre una plancha, con un mecanismo para sujetar el material que se iba a examinar (la muestra o espécimen). Este uso de una única lente convexa se conoce como microscopio simple, en el que se incluye la lupa, entre otros aparatos ópticos. Un microscopio electrónico es aquél que utiliza electrones en lugar de luz visible para formar imágenes de objetos diminutos. Los microscopios electrónicos permiten alcanzar una capacidad de aumento muy superior a los microscopios convencionales (hasta 500.000 aumentos comparados con los 1000 de los mejores microscopios óticos) debido a que la longitud de onda de los electrones es mucho menor que la de los fotones. El primer microscopio electrónico fue diseñado por Ernst Ruska y Max Knoll entre 1925 y 1930, quiénes se basaron en los estudios de LouisVictor de Broglie acerca de las propiedades ondulatorias de los electrones. Un microscopio electrónico funciona con un haz de electrones generados por un cañón electrónico, acelerados por un alto voltaje y focalizados por medio de lentes magnéticas (todo ello al alto vacío ya que los electrones son absorbidos por el aire). Los electrones atraviesan la muestra (debidamente deshidratada) y la amplificación se produce por un conjunto de lentes magnéticas que forman una imagen sobre una placa fotográfica o sobre una pantalla sensible al impacto de los electrones que transfiere la imagen formada a la pantalla de un ordenador. Los microscópios electrónicos sólo se pueden ver en blanco y negro, puesto que no utilizan la luz, pero se le pueden dar colores en el ordenador. Como se puede apreciar, su funcionamiento es semejante a un monitor monocromático (1) Carcasa, (2) emisor de electrones, (3) 233 electrones, (4) cátodo, (5) ánodo, (6) inductor de enfoque, (7) muestra analizada, (8) detector. F. TÉCNICAS DE TINCIÓN Para facilitar la observación de los microorganismos con el microscopio óptico se pueden utilizar técnicas de tinción, con sustancias colorantes neutras y de baja concentración, para aumentar el contraste de los diferentes orgánulos y estructuras celulares. Entre las técnicas de tinción simple que utilizan un solo colorante destacamos el rojo neutro y el azul de metileno, que incluso se pueden utilizar en vivo si están muy diluidos. Las bacterias se observan mejor con tinciones que utilizan varios colorantes, fundamentalmente la tinción de Gram, que distingue entre las bacterias Gram positivas y Gram negativas. Tinción de Gram fue desarrollada por el danés Ch. Gram en 1884 y consiste en: Se tiñen las bacterias con un colorante básico (violeta de genciana) que se fija con lugol, a continuación se lavan con alcohol y se someten a la acción de un segundo colorante (safranina). Con el primer colorante suelen tomar un color violeta todas las bacterias, pero luego desaparece en unas y permanece en otras; se consideran grampositivas a las bacterias que mantienen el color violeta y gramnegativas a las que pierden ese color y manifiestan el segundo colorante. La base de este comportamiento radica en la diferente estructura que presenta la pared bacteriana: las grampositivas debido a su gruesa capa de peptidoglucano (y otros componentes) una vez que permite la entrada del primer colorante ya no lo deja salir (bacterias violetas), en el caso de las gramnegativas, tienen una capa fina, que permite la entrada y salida del primer colorante y la posterior entrada del segundo (bacterias rojas). G. ESTERILIZACIÓN Y PASTEURIZACIÓN Esterilización: proceso por el que se destruyen todos los microorganismos de un medio, sean patógenos o no. Se aplican procesos mecánicos (filtración), físicos (calor seco o húmedo, presión, radiaciones), químicos (sales metálicas, alcoholes, aldehídos). Se utilizan en ocasiones varios métodos para asegurar la eliminación total de los microorganismos, e incluso dos esterilizaciones sucesivas para eliminar esporas que tienen diferentes estados de latencia. Uno de los instrumentos de esterilización más importante es el autoclave, donde se utilizan calor y presión. La esterilización se utiliza para eliminar todo tipo de microorganismos y sus productos de alimentos, material hospitalario y de laboratorio. y cualquier otro material que deba entrar en contacto con los organismos. Pasteurización: es el procedimiento de esterilización parcial, en el que se somete a los líquidos a una temperatura de 65 o 70º C durante al menos media hora y posteriormente se enfría bruscamente. Este método no elimina totalmente los microorganismos sino que los reduce sensiblemente. Este método mantiene de manera temporal los productos sin contaminar y deben conservarse en ambientes fríos. No es de éxito en todos los casos, ya que algunas bacterias producen esporas que soportan dichas temperaturas. Se utiliza fundamentalmente con productos de fermentaciones alcohólicas y lácticas. 234 Proceso HTST Este método es el empleado en los líquidos a granel, como son la leche, los zumos de fruta, la cerveza, etc. Por regla general es el más conveniente, ya que expone al alimento a altas temperaturas durante un período breve de tiempo y además se necesita poco equipamiento industrial para poder realizarlo, reduciendo de esta manera los costes de mantenimiento de equipos. Entre las desventajas del proceso está la necesidad de personal altamente cualificado para la realización de este trabajo, que necesita de la realización de controles estrictos durante todo el proceso de producción. Proceso UHT El proceso UHT es de flujo continuo y mantiene la leche a una temperatura superior más alta que la empleada en el proceso HTST, y puede rondar los 138°C durante un periodo de al menos dos segundos. Debido a este periodo de exposición, aunque breve, se produce una mínima degradación del alimento. La leche cuando se etiqueta como "pasteurizada" generalmente se ha tratado con el proceso HTST, mientras que la leche etiquetada como "ultra-pasteurizada" o simplemente "UHT", se debe entender que ha sido tratada por el método UHT El reto tecnológico en el siglo XXI es poder disminuir lo más posible el período de exposición a altas temperaturas de los alimentos, haciendo la transición de altas a bajas temperaturas lo más rápida posible, disminuyendo el impacto en la degradación de las propiedades organolépticas de los alimentos. H. LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Los ciclos biogeoquímicos describen el proceso de transformación de los distintos elementos químicos por la actividad biológica y su intercambio entre los componentes bióticos y abióticos de la exosfera. Los microorganismos participan activamente en estos ciclos debido a su amplia distribución en todo tipo de ambientes, su facilidad de dispersión, su diversidad metabólica y su pequeño tamaño y su condición unicelular, que favorecen un rápido intercambio de nutrientes y productos metabólicos con el medio ambiente. CICLO DEL CARBONO Es el ciclo más sencillo y perfecto, ya que el carbono regresa al medio casi al mismo ritmo que es extraído de él. Las plantas fijan al año aproximadamente 4-9 .1010 toneladas de carbono. El carbono es incorporado en forma de CO2 por los productores mediante la fotosíntesis. Los consumidores incorporan el carbono al alimentarse de los productores, y los descomponedores lo hacen al actuar sobre los cadáveres y los productos de desecho. El proceso respiratorio de productores, consumidores y descomponedores devuelve la mayor parte del carbono al medio en forma de CO 2. Otra parte se queda en forma precipitada en conchas, huesos dando lugar a rocas calizas. Los fenómenos de vulcanismo que afectan a las rocas calizas y a los combustibles fósiles devuelven a la atmósfera el carbono en forma de CO2 CICLO DEL NITRÓGENO La atmósfera esta constituida por un 79% de nitrógeno, pero sólo algunas bacterias (Clostriduim, Rhizobium, Azotobacter) y algas cianofíceas (Anabaena, Nostoc) son capaces de aprovecharlo. El proceso de fijación del nitrógeno que realizan consiste en combinar el N2 atmosférico con hidrógeno para formar amoniaco. Rhizobium leguminosarum es una bacteria simbiótica en las raíces de las leguminosas donde forma nódulos. Parte del nitrógeno fijado lo cede a las plantas en forma de compuestos solubles en el citoplasma celular y la planta le cede azucares. En el caso de Clostridium y Azotobacter, que son bacterias del suelo, el nitrógeno queda acumulado en ellas. La acción de los descomponedores sobre los cadáveres y los productos de desecho del metabolismo de productores y consumidores enriquecen el suelo de amoniaco. Este proceso se denomina amonificación. Casi todo el amoniaco que llega al suelo pasa rápidamente a ion nitrato por la acción de bacterias quimiosintéticas, este proceso se denomina nitrificación y ocurre en dos etapas: las bacterias del género Nitrosomonas transforman el amoniaco en ion nitrito (nitrosación) y las bacterias del género Nitrobacter transforman el ion nitrito en nitrato (nitratación) que constituye la fuente principal de nitrógeno disponible en el suelo para las plantas superiores. Existe un proceso perjudicial para la agricultura denominado desnitrificación, que consiste en la transformación del nitrato en nitrito y este en nitrógeno atmosférico que pasa al aire, este proceso lo realizan las bacterias desnitrificantes como el género Pseudomonas. 235 236 Combuatión, actividad volcánica Combinación química ATMÓSFERA HIDROSFERA CO2 descomposición Fotosíntesis, quimiosíntesis Respiración, Respiración, combustión combustión DESCOMPONEDORES Restos orgánicos PRODUCTORES CONSUMIDORES CARBÓN, PETRÓLEO, ROCAS CARBONATADAS -NH2 (nitrógeno orgánico de las proteínas y ac. Nucléicos Plantas → animales Excreción y cadáveres -NH2 (nitrógeno orgánico contenido en restos de seres vivos Incorporación a moléculas Absorción de iones nitrato por plantas y N2 atmosférico NO3- FIJACIÓN DE NITRÓGENO ATMOSFÉRICO (Rhizobium, Nostoc...) DESNITRIFIC ACIÓN (O2) AMONIFICACIÓN Bacterias y hongos orgánicas NH3 NO2NITRATACIÓN (Nitrobacter) NITROSACIÓN (Nitrosomonas) NITRIFICACIÓN 237 I. LOS MICROORGAISMO COMO AGENTES PRODUCTORES DE ENFERMEDADES Microorganismos patógenos: son aquellos microorganismos causantes de enfermedades, son parásitos. Microorganismos oportunistas: es le que infecta a un organismo por encontrarse este inmunodeprimido o bien por haber perdido su flora bacteriana propia. Infección: se denomina infección al crecimiento de microorganismos en el hospedador. Enfermedad infecciosa: enfermedad en la que se produce infección con éxito de un microorganismo. Epidemia: enfermedad que se propaga durante algún tiempo por un país, acometiendo simultáneamente a un gran número de personas. Pandemia: Epidemia de gran intensidad que afecta a un gran número de personas de una región muy extensa (afecta a numerosos países) Enfermedad endémica: Enfermedad infecciosa, presente habitualmente en una determinada región por causas locales. Zoonosis: enfermedad transmitida por animales. Vectores: cuando los animales actúan como intermediarios en la infección. Reservorios: sitios en los que los microorganismos permanecen vivos. Virulencia de un microorganismo: capacidad de estos para causar enfermedad, que depende de su poder invasor y su toxicidad. Toxinas: sustancia producida generalmente por bacterias que causa daño en el organismo en que se encuentra. Exotosinas: proteínas liberadas al medio extracelular. Son importantes las enterotoxinas ya que producen infecciones alimentarias. Toxina botulínica. Endotoxinas: lipopolisacáridos que forman parte de la pared bacteriana y por tanto permanecen unidas al microorganismo. Vías de transmisión: Transmisión directa: se produce como consecuencia de un gran contacto físico (saliva, semen); Transmisión vertical por la placenta y por inoculación, por transfusiones o jeringuillas Transmisión indirecta: a través de un objeto infectado (ropa, vendajes) o mediante el aire, el agua, los alimentos, o un animal infectado (denominado vector) Enfermedades producidas por diversos tipos de vías de transmisión Patógeno Vía de transmisión Enfermedad Virus Contacto indirecto, aire Catarro Coronavirus Virus SRAS Contacto indirecto, aire gripe Contacto indirecto, aire neumonía Contacto directo sexual Sífilis Contacto directo sexual Gonorrea Virus influenza Bacteria Streptococcus pneumonia Bacteria Treponema pallidum Bacteria 238 Neisseria gonorrhoeae Virus Contacto directo sexual Herpes genital Contacto sexual parenteral VIH, Sida Contacto directo sexual candidiasis Contacto indirecto Dermatomicosis Contacto indirecto, agua Diarrea del viajero Bacteria Contacto indirecto, Difteria Corinebacterium diphteriae Agua/alimentos Bacteria Contacto indirecto Agua/alimentos Cólera Bacteria Contacto indirecto Botulismo Clostridium botulinum Alimento en mal estado Bacteria Contacto indirecto Salmonella Alimento en mal estado Bacteria Heridas en la piel con tierra u objetos contaminados de esporas Tétanos Mordedura de animales(vectores: perros, murciélagos) Rabia Piel ( picadura de mosquito)o ruta parenteral Malaria o paludismo Herpesvirus Virus Retrovirus Hongo Candida Hongo Microsporidium Bacteria Eschericua coli Vibrio cholerae Clostridium tetani Virus Rhabdovirus Protozoo Salmonelosis Plamodium Medidas frente a las enfermedades infecciosas: Medidas profilácticas o preventivas: La mejor nutrición aumenta las posibilidades de defensa del organismo. Viviendas apropiadas, soleadas y sin humedad. No vivir hacinados Depuración de las aguas Sistemas de alcantarillados modernos Alimentos higiénicos y de calidad nutricional Educación sanitaria: reconocimientos médicos periódicos, vacunaciones necesarias, higiene personal y de las casas Desde el punto de vista de la lucha contra un patógeno: Aislamiento de los enfermos Desarrollo de la inmunidad de la población Aumento de la calidad de vida y educación sanitaria como se describe arriba. Métodos curativos: 239 Agentes anitimicrobianos: son aquellos que perjudican la vida de los microorganismos matándolos o impidiendo su reproducción. Los desinfectantes son agentes antimicrobianos que se emplean para eliminar microbios de los objetos, mientras que los antisépticos se utilizan sobre los tejidos de los seres vivos. Pueden ser de distintos tipos. Entre los físicos se encuentran el calor, el frío, la presión, las radiaciones; entre los químicos hay muchos productos que matan a los microorganismos (yodo, alcohol); entre los biológicos nos encontramos una serie de sustancias que actúan sobre el microorganismo, principalmente impidiendo su reproducción, ya que interfieren en sus funciones biológicas normales, entre ellos destacamos los antibióticos, vacunas, sueros... Agentes quimioterapéuticos: son productos químicos de eficacia curativa que se utilizan contra microorganismos, bien por combatir el germen patógeno, o bien por fortalecer al enfermo mejorando su estado general. Los principales son las sulfamidas y los antibióticos Antibioticos Los antibióticos son sustancias que se producen por algunos microorganismos, que inhiben el crecimiento o matan a otros microorganismos. Los antibióticos constituyen una clase especial de agentes quimioterapéuticos,. Los antibióticos constituyen una de las más importantes clases de sustancias producidas en los procesos microbianos a gran escala. Se han descubierto un gran número de antibióticos, pero tal vez, menos del 1% de ellos han sido de valor práctico en medicina. Los que han resultado útiles han tenido un impacto maravilloso sobre el tratamiento de las enfermedades infecciosas. También existen antibióticos que pueden hacerse más efectivos mediante modificaciones químicas y son los conocidos antibióticos semisintéticos. Tipos de antibióticos La acción antibacteriana de los antiboticos puede desencadenar distintos efectos: Inhibición de la síntesis de la pared celular. β-lactámicos. Estos antibióticos incluyen penicilinas, cefalosporinas y tetraciclinas. Alteración de la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática. Inhibición de la síntesis de proteínas. Eritrommicina, estreptomicina.. Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos. Rifamicina. Sulfamidas Las sulfamidas son agentes basteriostáticos sintéticos que actúan sobre microorganismos inhibiendo la síntesis de ácido fólico Se descubrieron en 1938 por el científico alemán Gerhard Domagk, por lo que le dieron al año siguiente el premio Nóbel. Fueron los primeros antibióticos usados eficazmente. Ahora a penas se usan debido a que los microorganismos han desarrollado resistencias. Los microorganismos más sensibles son la Clamydia trichomonatis, Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumonica, Haemophilus influenzae, Nocardia, Actinomices... Actividad 15: ¿Crees que es posible observar los micoplasmas tras la tinción de Gram? Razona tu respuesta. Actividad16: Describe químicamente la celulosa y la quitina y cita otros organismos en los que esté presente. Actividad 17: 240 ¿Qué diferencia existe entre las esporas sexuales y las asexuales? ¿Por qué crees que las setas aparecen en épocas húmedas? Actividad 18: Diferencia los términos protoctista de protozoo; organismo colonial de organismo pluricelular; ciliado de esporozoo. Actividad 19: ¿Por qué muchas algas y hongos no se consideran microorganismos? Actividad 20: ¿Qué tipo de biomolécula es el agar? Actividad 21: ¿Qué tipos de movimientos presentan los protistas? ¿Son siempre móviles? Actividad 22: Describe los distintos métodos de esterilización que conozcas? ¿Qué diferencia existe con la pasteurización? Actividad 23: ¿Qué diferencia existe entre un cultivo cerrado y uno continuo de microorganismos? Actividad 24: Explica la intervención de los microorganismos en el ciclo del carbono. ¿Cuáles son los reservorios más importantes de este elemento? Actividad 25: Describe las fases del ciclo del nitrógeno llevadas a cabo exclusivamente por microorganismos. 241 Actividad 26: Relaciona el mecanismo de entrada de un microorganismo patógeno en su hospedador con los mecanismos de transmisión del mismo y cita algún ejemplo. Actividad 27: Diferencia entre exotoxina y endotoxina. ¿qué es una intoxicación? Actividad 28: Cita cuatro ejemplos de enfermedades producidas por bacterias e indica su modo de transmisión. Actividad 29: ¿Por qué la inhibición de la síntesis de la pared celular tiene un efecto letal sobre las bacterias? ¿Qué agente quimioterapéutico lo produce? Actividad 30: ¿Por qué las sulfamidas no pueden considerarse un tipo de antibiótico? Actividad 31: Define desinfectante y antiséptico y pon un ejemplo de cada uno. 2. INGENIERÍA GENÉTICA A. CONCEPTO Y APLICACIONES El término histórico de biotecnología se refiere a los procedimientos que utilizan organismos vivos o sus productos para obtener o modificar otros productos, pero la biotecnología moderna implica la manipulación deliberada de ADN de organismos vivos con el propósito de fabricar o modificar un producto, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para usos específicos. Para poder llevar a cabo estos procesos de manipulación se han ido desarrollando una serie de técnicas muy importantes que son lo que se denominan tecnología del ADN recombinanate o ingeniería genética. 242 Las técnicas de ingeniería genética permiten modificar los genes de un organismo obteniendo organismos genéticamente modificados o la transferencia de genes de unos organismo a otros para de este modo obtener organismos transgénicos. B. INGENIERÍA GENÉTICA i. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE: OBTENCIÓN DE UN ADN RECOMBINANTE Un ADN recombinante es aquel ADN formado por la unión de segmentos de ADN de origen diferente. Para conseguir esto hay diferentes herramientas fundamentales, que actúan de manera secuencial: Enzimas de restricción: estas son enzimas capaces de cortar el ADN en fragmentos de pocos nucleótidos, llamados fragmentos de restricción, por puntos determinados, denominados puntos de restricción , formando un escalón, con extremos de una sola cadena (extremos cohesivos) que pueden unirse a otras secuencias complementarias de otros fragmentos de ADN. Las más utilizadas pertenecen a una bacteria llamada Escherichia coli. Ligasas del ADN: que unirán el fragmento que se desea introducir en los extremos cohesivos que se han generado anteriormente. CLONACIÓN DEL ADN o Clonación de ADN mediante un vector Clonar un fragmento de ADN consiste en la obtención de muchas copias idénticas de dicho fragmento. Para ello lo primero que hacemos es crear un ADN recombinante formado por el fragmento de ADN que se desea clonar y un vector de clonación. Un vector de clonación es una molécula de ADN pequeña capaz de entrar en una bacteria (normalmente Escherichia coli) y autorreplicarse en ella. El proceso es el siguiente: o Obtención de los plásmidos recombinantes (ADN que se desea clonar más plásmido) se incuba con un cultivo de bacterias, para que incorporen el plásmido (transformación) o Se eliminan las bacterias que no hayan sido transformadas. Gen de resistencia a un antibiótico. o Mantenimiento de las bacterias transformadas en un cultivo adecuado. Se duplican, duplicando el plásmido. Los vectores de clonación más importantes son: plásmidos, virus bacteriofagos λ. 243 Los vectores de expresión, son plásmidos que se utilizan para producir cantidades continuadas de proteínas. Para ello se introducen en bacterias, levaduras o células de mamíferos, que se utilizan como “factorías celulares” Los vectores de expresión son plásmidos especialmente diseñados para cada tipo de producción que llevan en una posición cercana al gen insertado, secuencia promotora muy activa, para producir gran cantidad de moléculas de ARNm que se traducirá en la proteína deseada. o Clonación del ADN mediante Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Esta reacción permite hacer rápidamente millones de copias de un gen sin necesidad de incluirlo en un ADN recombinante de un vector de clonación, utilizando una ADN polimerasa especial, termoestable (bacteria Thermus aquaticus), y activando una reacción encadenada de copias y copias del mismo fragmento de ADN. GENOTECAS DE ADN Son el conjunto de clones de ADN que incluyen todas las secuencias del ADN de un organismo, que habremos obtenido por alguna de las técnicas anteriores. Existe un problema, ya que entre los clones que podemos haber obtenido mediante clonación, vamos a tener secuencias de ADN no codificantes, para eliminarlos podemos clonar solo el ADN que se transcribe a ARNm, que corresponderá a los genes que codifican para proteínas. Para ello: Extraemos los ARMm maduro de una célula y los pasamos mediante transcriptasa inversa a ADNc (ADN complementario de cadena sencilla) A continuación la ADN polimerasa sintetiza la cadena molde y forma un ADNbc Por último, estas moléculas de ADN se insertan en vectores de clonación y se somete al proceso de clonación antes visto. 244 LOCALIZACIÓN ESPECÍFICA DE UN GEN: HIBRIDACIÓN DEL ADN MEDIANTE TÉCNICA DE SOUTHERN Para localizar un determinado gen de interés dentro de nuestra genoteca, se utilizan sondas de ADN (que es una cadena sencilla) marcadas radiactivamente o con fluorescencia que son complementarias de la secuencia del gen que estamos buscando y que se hibridará con él, posteriormente lo podemos detectar en un cultivo mediante autorradiografía. ii. APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA • Aplicaciones médicas: Obtención de Insulina: la molécula producida por bacterias es idéntica a la que se produce en el páncreas humano ya que se les ha introducido el gen de la insulina humana. Obtención de hormona del crecimiento: hasta 1985 la única fuente de esta hormona producida en la glándula hipófisis era la de cadáveres, desde esta fecha se obtiene por ingeniería genética. Obtención del Factor VIII: esta proteína interviene en la coagulación, está presente en la sangre. Hasta hace poco, las personas hemofílicas la obtenían mediante transfusión de donantes de sangre, actualmente se obtiene por ingeniería genética. Obtención de vacunas: como la vacuna de la hepatitis B y otras de uso animal. Terapia génica: tiene como finalidad conseguir el tratamiento, curación o prevención de enfermedades por medio de la transferencia de material genético o la modificación de la expresión de los genes. Consiste en la introducción de un gen que restablezca, en las células del individuo, la función del gen deteriorado de manera que produzca la proteína deficiente. Actualmente se están investigando en el caso de : cáncer, Alzheimer, Parkinson, Diabetes, fibrosis quística... • Aplicaciones en agricultura y ganadería: Obtención de animales transgénicos de utilidad: los animales son aquellos que llevan en sus células algún gen procedente de otro organismo. Estos tienen diversas aplicaciones: Fabricación de órganos: el trasplante de órganos procedentes de otra especie se denomina xenotrasplante. Da mucha reacción pero se está tratando de evitar. Granjas farmacéuticas: fabricación de proteínas de interés terapéutico en la leche de animales como la vaca, oveja, cerda... Animales “Knocout”: son animales en los que se inactiva un gen o se sustituye el gen funcional por un alelo mutante, para estudiar sus efectos. Obtención de plantas transgénicas: se ha aplicado ya a numerosas plantas, como el arroz, el maíz, el algodón, la soja... y se han producido variedades con nuevas características como: Mayor protección frente a plagas, ya que fabrican ellas mismas sustancias que las protegen. Resistencia a herbicidas. Producción de frutos con mejores características o más saludables. Mayor tolerancia a condiciones adversas. 3. BIOTECNOLOGÍA Y MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL A. CONCEPTO Y APLICACIONES La microbiología industrial cultiva los microorganismos a gran escala para realizar importantes transformaciones químicas o para obtener productos comerciales de gran valor. Comenzó con la fabricación de vino y cerveza hace 8000 años por parte de sumerios y babilónicos. Más tarde hace aproximadamente 6.000 años, los egipcios usaban la fermentación para la obtención de pan y vino. Otros procesos antiguos utilizaban el “cuajo” obtenido del estómago de terneros para transformar la leche en queso, o el uso de bacterias como Lactobacillus caseii para la obtención de yogur. Desde su comienzo hasta hace relativamente poco tiempo, la selección de los microorganismos, se llevaba a cabo seleccionando los más productivos en los medios de cultivo, ahora sabemos que los microorganismos se manipulan genéticamente mediante ingeniería genética para hacerlos más productivos, o bien, se crean organismos nuevos. 245 La biotecnología como campo de conocimiento nuevo surge a principios de los 70, pero su auge se produce como consecuencia del perfeccionamiento de las técnicas de ingeniería genética, ahora cada vez se incluye ámbitos más variados, de tal manera que es difícil saber donde comienza esta ciencia o ramas. La definición quizá más completa sea la que proporciona Steve Prentis: “el rasgo esencial de la biotecnología, es que utiliza y modifica microorganismos o células obtenidas de animales o plantas, pero excluye aquellas actividades que comportan plantas o animales completos”. Uno de los campos de aplicación más espectaculares de la biotecnología es la medicina, en la detección de enfermedades genéticas y en su terapia. Igualmente tiene aplicaciones de enorme importancia en la agricultura, ganadería, industria farmacéuticas y de otro tipo, así como en la protección del medio ambiente (descontaminación, conservación de especies en peligro de extinción, etc.) B. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Producción de bebidas alcohólicas: el vino , la cerveza, sidra…se obtiene de la fermentación alcohólica de zumos de frutas, sobre todo, de mosto de la uva, aunque también se puede formar de otros materiales ricos en azúcar. Fabricación de vino, pasos: o Triturado de la uva y obtención del mosto (rico en glucosa) o Esterilización del mosto, para evitar la transformación por microorganismos indeseados. o Inoculación con Saccharomyces uvarum, que llevan a cabo la fermentación alcohólica, seguida de otra denominada maloláctica. o Trasiego: separación del vino de los sedimentos. o Envejecimiento en cuba durante tiempo, produciéndose el desarrollo del sabor del vino. Fabricación de cerveza, pasos: o Molienda de las pepas de cebada o Macerado de los granos (preparación del mosto). El malteo de la cebada es la germinación controlada de la cebada durante la cual se forman las enzimas y se modifican suficientemente las reservas alimenticias de manera que puedan ser hidrolizadas adicionalmente durante la maceración o Hervido del mosto y agregado del lúpulo. Las flores de la planta del lúpulo (también llamadas conos o piñas) contienen en su interior unas glándulas de color amarillo. Estas glándulas están llenas de una resina llamada lupulina, que es el principio activo que los cerveceros buscan en el lúpulo. La lupulina aporta: a. Componentes amargos. Son aportados principalmente por los llamados ácidos alfa. Dotan a la cerveza de su característico amargor, contribuyen a la formación de espuma y ayudan a la conservación de la cerveza. b. Componentes aromáticos. Son los llamados aceites esenciales. Incorporan aroma y sabor a la cerveza o Inoculación con Saccharomyces cerevisia, que llevan a cabo la fermentación. o Maduración Producción de derivados lácteos: la fabricación de yogur, mantequilla, queso y otros lácteos, se realiza mediante fermentación láctica, e implica la participación de varios microorganismos, de los que destacamos las bacterias Lactobacillus y Streptococcus. Pasos: o Transformación de la leche en cuajada por la acción de las bacterias lácticas presentes en la leche, que consumen la lactosa de la leche y la transforman en ácido láctico, que modifica el pH y las proteínas coagulan. Se produce por tanto un suero que se retira. Se puede realizar el proceso utilizando la enzima presente en el cuajo . o Maduración del queso. En el caso de los blandos la realizan las levaduras y hongos (Penincillium) presentes en la superficie del queso. En los duros la realizan bacterias lácticas. Para la fabricación de yogur, actúan sobre leche entera dos bacterias, Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus. 246 C. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA Producción de antibióticos: Los antibióticos son sustancias químicas elaboradas por microorganismo que inhiben o matan el crecimiento de otros microorganismos. En una primera fase, el trabajo ha consistido, y consiste, en la prospección en busca de bacterias y hongos con capacidad para producir sustancias de carácter antibiótico, en una segunda fase, pueden obtenerse genes a partir de los cuales y por transformación bacteriana, proceder a la producción con carácter industrial. Estos son producidos por bacterias como Streptomyces o hongos filamentosos como Penincillium y Aspergillus. Producción industrial de vacunas y sueros: se obtienen proteínas concretas del patógeno para fabricar la vacuna, de este modo, no se puede activar este en ningún caso, es el método utilizado en la fabricación de la vacuna de la hepatitis B. En el caso del suero se obtienen los anticuerpos concretos también por medio de técnicas de ingeniería genética. Producción de otras sustancias: Hormonas (insulina, hormona del crecimiento) ; factores de coagulación, enzimas(colagenasas, para activar la cicatrización de heridas) . Utilizando bacterias transformadas con los genes que producen estas sustancias, cultivándolas en grandes tanques fermentadores para producirlas en grandes cantidades. D. BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE Biorremediación: es la utilización de microorganismos para eliminar la contaminación del medio ambiente Fitorremediación: consiste en la utilización de vegetales para eliminar sustancias contaminantes del suelo Biodegradación: son las transformaciones destructivas que llevan a cabo los microorganismos. Aplicaciones de la biorremediación: Utilización de microorganismos para eliminar hidrocarburos, tanto del suelo como del agua, como las manchas de petróleo, llevada a cabo por la bacteria Pseudomonas o la levadura Candida. Tratamiento de residuos industriales altamente contaminantes Destrucción de pesticidas, tanto insecticidas como herbicidas, que son compuestos que no existen de forma natural (xenobióticos) Eliminación de metales pesados, como el mercurio y el cadmio Tratamiento de aguas residuales mediante bacterias que eliminan metales que acumulan en su citoplasma (Thiobacillus) uranio (Psedomonas aeruginosa), fenoles y derivados (Nocardia corallina) E. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A INDUSTRIAS AGROPECUARIAS Producción de proteínas para suplementos biológicos: se producen haciendo crecer bacterias o levaduras transformadas que son ricas en proteínas. Una vez conseguida la cepa se la hace crecer lo más rápidamente posible y en el medio de cultivo más barato, como puede ser metanol, o productos de desecho de las industrias, por ejemplo de las papeleras. La levadura Candida utilis, el alga Spirulina máxima. Conservación de especies y variedades de vegetales en peligro de extinción: mediante técnicas de micropropagación y crioconservación. En la actualidad existen bancos genéticos internacionales donde se guardan miles de especies y variedades cultivadas. Resistencia a herbicidas: los principales objetivos van en obtener plantas resistentes a herbicidas, virus, hongos, nemátodos; así como factores ambientales que provocan estrés en las plantas, como calor, frío, salinidad, sequía… Actividad 32: ¿Qué función tienen las enzimas de restricción? 247 Actividad 33: ¿Cuál es el fundamento de la PCR? Actividad 34: ¿Qué grupos de microorganismos se emplean en procesos de microbiología industrial? Actividad 35: ¿Cuáles son los productos alimenticios más importantes obtenidos con intervención de microbios? Actividad 36: ¿Qué se entiende por biorremediación? 4. EJERCICIOS DE SELECTIVIDAD DE MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA 1. En relación con los agentes infecciosos y microorganismos de interés industrial: a. Desde un punto de vista taxonómico, mencione cuatro grupos distintos de agentes infecciosos (1 punto). b. Ponga un ejemplo de agente infeccioso y mencione la enfermedad que causa (0,5 puntos). c. Mencione un proceso industrial en el que participe un microorganismo, señalando el grupo taxonómico al que pertenezca (0,5 puntos). 2. Con relación a la utilización de los microorganismos con fines industriales: a. Defina el concepto de biotecnología (0,5 puntos). b. Mencione un microorganismo utilizado en la industria alimentaria, y explique brevemente el proceso en el que participa (0,75 puntos) c. Mencione un microorganismo utilizado en la industria farmacéutica, y explique brevemente el proceso en el que participa (0,75 puntos). 3. En muchos procesos relacionados con la industria alimentaria se producen fermentaciones por microorganismos. a. Ponga un ejemplo de dichos procesos y mencione el tipo de microorganismo implicado (0,5 puntos). b. Comente la función metabólica que desempeña el microorganismo citado e indique los productos iniciales y finales del proceso (0,75 puntos). c. Realice un esquema del microorganismo citado, haciendo referencia a su organización estructural (0,75 puntos). 4. Algunos microorganismos y otros agentes patógenos son los responsables de numerosas enfermedades infecciosas. a. Cite cuatro vías de transmisión de las enfermedades infecciosas y ponga un ejemplo para cada una de ellas (1 punto). b. ¿Qué significan los siguientes términos: epidemia, pandemia, enfermedad endémica y zoonosis? (1 punto). 5. En la industria alimentaria existen procesos en los que se utilizan levaduras. 248 a. Ponga un ejemplo de proceso industrial relacionado con la industria alimentaria en el que se utilicen levaduras e indique cómo se denomina el proceso metabólico que tiene lugar (0,5 puntos). b. ¿Cuál es el balance global del proceso metabólico citado anteriormente? (0,5 puntos). c. Realice un esquema de la organización celular de las levaduras (1 punto). 6. Algunos microorganismos viven en simbiosis con los vegetales. a. Explique en qué consiste la simbiosis (0,5 puntos). b. Mencione los tipos de microorganismos que intervienen en el ciclo del nitrógeno (0,5 puntos). c. Explique la importancia para la agricultura de la simbiosis microorganismos-plantas en el ciclo del nitrógeno y ponga un ejemplo (1 punto). 7. Bacterias y levaduras son microorganismos que pueden realizar fermentaciones para la obtención de energía. a. Señale las diferencias fundamentales de organización celular entre estos dos tipos de microorganismos ( 1 punto). b. Ponga un ejemplo de fermentación realizada por bacterias e indique el balance global de la misma (0,5 puntos). c. Ponga un ejemplo de fermentación realizada por levaduras y mencione un proceso industrial en el que tenga aplicación (0,5 puntos). 249
