Introducción: Panorámica general de la microbiología y biología

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Introducción: Panorámica general de la microbiología y
biología celular.
Los microorganismos como células. Procesos moleculares en las células. Crecimiento, mutación y evolución. Estructura
celular. Relaciones evolutivas entre los seres vivos. Poblaciones, comunidades y ecosistemas. Cultivo de los
microorganismos en el laboratorio. El impacto de los microorganismos sobre las actividades humanas. Breve historia de la
microbiología.
La microbiología es el estudio de los microorganismos, un extenso y variado grupo de organismos
microscópicos que existen como células aisladas o agrupaciones celulares; también incluye el estudio de los
virus, que son microscópicos pero no celulares. Las células microbianas son distintas de las células de
animales y plantas, que son incapaces de vivir aisladas en la naturaleza y solo pueden existir como partes de
los organismos pluricelulares. Una célula microbiana aislada es, en general, capaz de llevar a cabo sus
procesos vitales de crecimiento, generación de energía y reproducción independientemente de otras células,
de la misma o de diferente clase.
¿De que trata, entonces, la microbiología? Podemos señalar aquí varios aspectos de esta ciencia: (1)
Estudia células vivas y cómo funcionan. (2) Trata de los microorganismos, que constituyen una importante
clase de células capaces de existir en forma libre o independiente. Se centra especialmente en las bacterias,
una gran grupo de células estructuralmente simples y de enorme importancia básica y práctica. (3) Investiga
acerca de la diversidad microbiana y de la evolución, es decir, sobre cómo y por qué aparecen los diferentes
tipos de microorganismos. (4) Estudia lo que los microorganismos hacen en el
mundo en su conjunto, en la sociedad humana, en nuestros propios cuerpos, y en los de los animales y las
plantas. (5) Se ocupa del papel central que tiene como ciencia biológica básica y de cómo el conocimiento
de los microorganismos puede ayudar a comprender mejor la biología de los organismos superiores, incluido
el hombre.
¿Por qué estudiar microbiología? La microbiología, que es una de las ciencias biológicas más importantes,
se estudia pro dos razones principales:
-Como ciencia biológica básica. la microbiología suministra algunas de las herramientas de investigación
más versátiles para determinar la naturaleza de los procesos características de la vida. Los sofisticados
conocimientos que poseemos sobre los principios físicos y químicos que gobiernan los procesos vitales han
surgido de estudios con microorganismos, y esto es debido a que las células microbianas constituyen un
excelente modelo para comprender algunas funciones celulares en animales y plantas.
-Como ciencia biológica aplicada, la microbiología se ocupa de muchos problemas prácticos que son
importantes en medicina, agricultura e industria. Algunas de las enfermedades más importantes de humanos,
animales y plantas son causadas por microorganismos. Los microorganismos desempeñan importantes
funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal. Muchos procesos industriales a gran
escala se basan en microorganismos, lo que ha conducido al desarrollo de toda una nueva disciplina, la
biotecnología.
Los microorganismos como células.
La célula es la unidad fundamental de toda materia viva. Una única célula es una entidad, aislada de otras
células por la membrana celular (y quizás por una pared celular) y conteniendo dentro de ella una variedad
de materiales químicos y estructurales subcelulares. La membrana celular es la barrera que separa el
interior celular del exterior. Dentro de la membrana celular se encuentran las diversas estructuras y
sustancias que hacen posible que la célula funcione. Estructuras clave son el núcleo o nucleoide, donde se
guarda la información necesaria para hacer más células, y el citoplasma, donde se encuentra la maquinaria
para el crecimiento y el funcionamiento celular.
Todas la célula contienen determinados tipos de componentes químicos complejos: proteínas, ácidos
nucleicos, lípidos y polisacáridos. Colectivamente se denominan macromoléculas. Debido a que estos
componentes químicos se presentan en todos los seres vivos, se piensa que todas la células descienden de
un antecesor común único, el antecesor universal. A través de miles de millones de años de evolución ha ido
apareciendo la enorme diversidad de tipos celulares que existe hoy en día.
Aunque cada tipo de célula tiene un tamaño y una estructura definida, una célula es una unidad dinámica
que constantemente sufre cambios y modifica sus constituyentes. Incluso cuando no está creciendo, una
célula está continuamente tomando materiales del medio y transformándolos en su propio material. Al
mismo tiempo, origina productos de desecho que libera el medio. Una célula es por tanto un sistema abierto,
que está en cambio continuo pero que permanece siendo la misma.
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La característica de una célula. Una célula viva es un sistema químico complejo.
¿Cuáles son las características que permiten separa las células de los sistemas químicos no vivos? Podemos
citar cinco importantes caracteres diferenciales:
-Autoalimentación o nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra,
liberan energía y eliminan productos de desecho.
-Autorreplicación o crecimiento. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. Aconsecuencia de los
procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células, cada una casi idéntica a la célula
original.
-Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado
diferenciación. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban
previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del
ciclo de vida celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción,
la dispersión o la supervivencia.
-Señalización química. Las células responden a estímulos químicos y físicos del medio y, en el caso de
células móviles, hacia tal estimulo ambiental o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina
taxis. Además, con frecuencia las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente
por medio de señales químicas.
-Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares
evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células
de modo regular) que pueden influenciar la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo
positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a
vivir en un medio particular.
Procesos moleculares en las células.
Las células se pueden considerar como máquinas que realizan transformaciones químicas. Desde este punto
de vista, la célula es una máquina química que convierte energía de una forma a otra, rompiendo moléculas
en compuestos más pequeños, construyendo moléculas grandes a partir de otras menores y realizando
muchas otras transformaciones químicas (una molécula se define como dos o más átomos unidos
químicamente entre sí).El término metabolismo se usa para indicar colectivamente la serie de procesos
químicos que ocurren en los organismos vivos, tanto biosintéticos como degradativos. Las células también
se pueden considerar como dispositivos codificadores análogos a un ordenador, y poseen información que se
transmite a la descendencia o se ejecuta de otro modo. El término genética describe la herencia y la
variación de los organismos vivos así como los mecanismos por los que estos procesos se llevan a cabo.
Función como máquina: el papel de las enzimas. Si una célula es una máquina química, ¿cuáles son las
fuerzas que la hacen funcionar? Los componentes de la maquinaria química celular son las enzimas,
moléculas proteicas capaces de catalizar reacciones químicas específicas. Que una célula pueda o no realizar
una reacción química concreta depende de la presencia en la célula de la enzima particular que cataliza tal
reacción. La especificidad de las enzimas es en general muy elevada, de modo que incluso reacciones
químicas estrechamente relacionadas suelen estar catalizadas por enzimas distintas. La especificidad de una
enzima la determina, en primer lugar, su estructura. Como son proteínas, las enzimas son polímeros
constituidos por largas cadenas de aminoácidos (hay 21 aminoácidos diferentes) conectados entre sí de
modo específico y altamente preciso. Es la secuencia de aminoácidos la que determina la estructura de una
enzima así como su especificidad catalítica. Una molécula proteica aislada presenta a menudo 300 o más
aminoácidos. La larga cadena de aminoácidos se dispone adoptando una configuración específica, formando
varias zonas o dominios que juegan papeles específicos en la función de la proteína. El funcionamiento de
una célula como máquina (metabolismo) viene determinado en esencia por las cantidades y tipos de las
diversas enzimas que posea.
Función codificadora: DNA, RNA, proteína. Cuando examinamos cómo se determina la secuencia de
aminoácidos de una proteína estamos considerando a las células como dispositivos codificadores. ¿Cómo es
capaz una célula de disponer los aminoácidos en secuencias precisas, de modo que cada una de ellas
constituya una clase diferente de proteína? Para comprender esto debemos considerar a la célula como un
sistema que almacena información y lo convierte a la forma apropiada. A este respecto, podemos considerar
ala célula como un depósito de información de secuencias proteicas almacenadas en forma codificada.
Este código, llamado código genético, está contenido en la secuencia de los nucleótidos que presenta la
molécula hereditaria de ácido desoxirribonucleico (DNA). Cada nucleótido tiene una base nitrogenada,
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adenina, guanina, citosina o timina. El DNA se presenta en la célula como dos largas moléculas que se
entrelazan formando una hélice, la famosa doble hélice del DNA. Un gen es un segmento de DNA que
codifica una proteína específica.
El DNA experimenta dos importantes transformaciones en la célula. Primero, todas las moléculas de DNA
sufren replicación antes de cada división celular, lo que permite que cada nueva célula reciba un juego
completo de instrucción genética (ver imagen).
Segundo, el código genético escrito en el DNA debe ser transcrito y traducido: la secuencia de bases del
DNA determina la secuencia específica de aminoácidos de la proteína. Este proceso es llevado a cabo en la
célula por un mecanismo especial bastante complejo. En el sistema de traducción se encuentra la esencia de
la función celular.
El sistema de traducción. En el lenguaje celular la traducción es esencial para asegurar la funcionalidad.
Esto se deba a que la información genética contenida en la molécula de DNA es solamente un depósito
incapaz de ser interpretado directamente. Una proteína solo se puede hacer utilizando como intermediario el
sistema de traducción. El sistema de traducción es por tanto el atributo central y más importante de la célula.
Debido a su papel central, resulta difícil cambiar el sistema de traducción. De hecho, aunque puede diferir en
ciertos detalles, el sistema de traducción es esencialmente el mismo en toda clase de organismos. Es muy
probable que en el origen de la vida el sistema de traducción fuera una de las primeras cosas en surgir y que,
una vez formado, se mantuviera prácticamente sin modificar a lo largo de la historia de la vida sobre la
Tierra. El aparato de traducción no puede usar el DNA directamente y la información contenida en el DNA
debe ser primero transcrita a ácido ribonucleico (RNA). A su vez, esto puede ser también un reflejo del
origen de la vida sobre la Tierra, ya que muchos biólogos piensan que hubo un periodo de evolución antes
de que existiese el DNA durante el cual el RNA fue el depositario de la información genética.
La producción de proteínas requiere dos procesos:
-TRANSCRIPCIÓN, es decir, la formación de moléculas de ácido ribonucleico mensajero que contienen
una copia complementaria de la información genética almacenada en el DNA.
-TRADUCCIÓN, el proceso de unión de los aminoácidos para formar proteínas que ocurre en los
ribosomas, estructuras compuestas de otra forma de RNA y varias proteínas.
En el proceso de traducción el RNA mensajero que contiene las instrucciones genéticas para hacer las
proteínas, se combina con los ribosomas y, mediante la acción de varios factores forma finalmente una
proteína cuya conformación se adapta para realizar una función específica en la célula. La transcripción de
diferentes genes conduce a la formación de diferentes proteínas y el conjunto de proteínas producidas por un
organismo dado es característico de dicho organismo y susceptible de cambiar en función de las condiciones
de crecimiento y otros factores.
Crecimiento, mutación y evolución.
La conexión entre los dos atributos de una célula, su función como máquina y su función como código, se
expresa mediante el proceso de crecimiento celular. Una célula viva crece en tamaño y luego se divide
formando dos células. En el ordenado proceso de crecimiento que origina dos células la cantidad de todos
los constituyentes de la célula inicial se duplica. El aumento de tamaño requiere el funcionamiento de la
maquinaria química celular para suministrar energía y precursores necesarios en la biosíntesis de
macromoléculas. Pero cada una de las células debe contener también toda la información genética necesaria
para la formación de más células, y por tanto debe haber duplicación del DNA durante el crecimiento y la
división. Cuando una célula se convierte en dos es importante no sólo que el contenido en DNA se duplique,
sino que se copie exactamente la secuencia precisa de bases del DNA. En consecuencia, decimos que las
dos células descendientes son genéticamente idénticas a la célula parental (imagen, parte superior).
Mutaciones. Ocasionalmente, sin embargo, ocurren errores en la copia del DNA y por tanto puede ocurrir
que una de las dos células descendientes no sea idéntica a la parental. Los errores originados en la copia del
DNA se llaman mutaciones. Una mutación es un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos de la
molécula de DNA que se transmite a la descendencia. En algunos casos, una mutación puede no tener efecto
detectable alguno, pero en muchos otros origina la formación de una proteína defectuosa (o ausencia de
proteína) de modo que la célula es defectuosa y puede morir o manifestar algún tipo de deterioro. Tales
células suelen desaparecer de la población. Así pues, las mutaciones son generalmente perjudiciales. Sin
embargo, en raras ocasiones una mutación puede dar como resultado la formación de una proteína mejorada,
por ejemplo, una proteína con funcionamiento más adecuado que la presente en la célula parental. La célula
que contiene esta enzima alterada presenta por tanto una ventaja selectiva y, tras posteriores divisiones
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celulares, puede acabar reemplazando al tipo parental. El valor de supervivencia de una mutación depende
normalmente del entorno en el que vive el organismo. En algunos ambientes una mutación puede ser
beneficiosa y en otros perjudicial.
Mutaciones y evolución. El proceso natural a través de mutaciones y los efectos derivados que acabo de
comentar constituye la selección natural, un fenómeno que es la base del proceso de la evolución.
Aunque Charles Darwin propuso la teoría evolutiva a partir de observaciones de organismo pluricelulares, la
evolución darwiniana se demuestra de modo más claro y efectivo a nivel microbiano. La evolución
microbiana no solo ha suministrado parte del apoyo más fundamental de la teoría de la evolución, sino que
ha desvelado consecuencias prácticas muy importantes. Por ejemplo, han surgido microorganismos
causantes de enfermedades que son resistentes a ciertos antibióticos y, por tanto, las enfermedades causadas
por esos microorganismos ya no pueden ser tratadas por tales antibióticos. Podemos considerar esto como un
dramático y práctico resultado de la evolución. Cabe resaltar aquí que la amplia diversidad microbiana, así
como la diversidad de los organismos superiores, se debe al proceso de evolución mediante la acción
conjunta de mutación y selección natural.
Estructura celular.
¿Cuál es la estructura de una célula? Todas las células tienen una barrera denominada membrana (celular)
citoplasmática que separa el exterior del interior celular. A través de la membrana celular entran todos los
nutrientes y otras sustancias de vital importancia para la célula, y a través de esta misma membrana salen de
la célula los materiales de desecho y otros productos celulares. Cuando la membrana resulta dañada el
contenido de la célula sale y la célula normalmente muere. Algunos fármacos y otros compuestos químicos
dañan la membrana citoplasmática ocasionando así la destrucción de las células.
La membrana citoplasmática es una capa muy fina y flexible que es estructuralmente débil. Por sí sola, no
suele mantener unidos los componentes de la célula y se necesita una capa adicional más sólida llamada
pared celular. La pared es una capa relativamente rígida que se sitúa por encima de la membrana,
protegiéndola y dando firmeza a la célula. Las células vegetales y la mayor parte de los microorganismos
poseen estas paredes celulares rígidas. Las células animales, sin embargo, no tienen paredes; estas células
han desarrollado otros medios de protección.
Dentro de una célula, y limitada por la membrana citoplasmática, se encuentra una complicada mezcla de
sustancias y estructuras llamada citoplasma. Estos materiales y estructuras, inmersos en agua, realizan las
funciones de la célula. Los componentes mayoritarios del citoplasma, además del agua, incluyen
macromoléculas, ribosomas, pequeñas moléculas orgánicas (principalmente precursoras de macromoléculas)
y diversos iones inorgánicos.
Células procarióticas y eucarióticas. Tras cuidadosos estudios de la organización interna de las células, se
ha puesto de manifiesto la existencia de dos tipos básicos: procariotas y eucariotas. Estos dos tipos de
células son estructuralmente muy diferentes. Una diferencia estructural importante entre procariotas y
eucariotas, además del tamaño, es la disposición del DNA dentro de la célula. Los eucariotas contienen un
núcleo rodeado por una membrana nuclear que encierra varias moléculas de DNA y se divide por el proceso
de mitosis. Por el contrario, la región nuclear procariótica, llamada nucleoide, no está rodeada por una
membrana, consta de una sola molécula de DNA y su división no es mitótica. A diferencia de las
procarióticas, las células eucarióticas contienen normalmente, además del núcleo, otras estructuras internas
rodeadas por membrana, como las mitocondrias y los cloroplastos (éstos sólo en células fotosintéticas) y
poseen también un citoesqueleto formado por una serie de componentes internos que funcionan como un
andamiaje y permiten el movimiento de sus componentes interiores. Los únicos procariotas representan dos
importantes ramas evolutivas, Bacteria y Archaea. Existen varios grupos de microorganismo eucarióticos,
incluyendo algas, hongos y protozoos. Además, todas las formas pluricelulares de vida (plantas y animales)
están formadas por células eucarióticas.
En general, los microorganismos son muy pequeños. Un procariota típico de forma bacilar puede tener una
longitud de 1-5 micrómetros (μm) y es por tanto completamente invisible a simple vista. Para ilustrar la
pequeñez de una bacteria consideremos que se podrían colocar en línea 500 bacterias de 1 μm de largo a lo
largo del diámetro del punto final de este párrafo.
Los virus no son células. Los virus carecen de muchos de los atributos de la células, y no son sistemas
dinámicos abiertos. Una partícula vírica aislada es una estructura estática muy estable e incapaz de cambiar
o reemplazar sus partes constituyentes. Solo cuando se asocia con una célula el virus es capaz de replicarse y
adquirir algunos de los atributos de un sistema vivo. Así, a diferencia de las células, los virus no tienen
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metabolismo propio. Aunque poseen información genética (DNA o RNA), los virus carecen de sistema de
traducción y usan la maquinaria de la célula para la síntesis de proteínas. Los virus infectan diversos
organismos, incluyendo a los microorganismos. Muchos virus provocan enfermedades en el organismo que
infectan, pero la infección vírica no siempre conduce a enfermedad. Además de enfermedad, los virus
pueden tener otros importantes efectos sobre las células.
Relaciones evolutivas entre organismos vivos.
Aunque las células se pueden diferenciar estructuralmente como procariotas o eucariotas, la estructura
celular no implica necesariamente una relación evolutiva. Sin embargo, en la actualidad se pueden
determinar relaciones filogenéticas (evolutivas) entre los microorganismos. Para establecer estas relaciones
se utilizan una serie de métodos basados en comparaciones de la secuencia de ácidos nucleicos,
particularmente en la secuencia del RNA ribosómico, esto es, el RNA estructural del ribosoma que
constituye la estructura clave de la célula implicada en la traducción. De hecho, uno de los descubrimientos
recientes más importantes en biología es que los cambios en la secuencia nucleotídica del RNA ribosómico
(determinados en definitiva por mutaciones en el DNA que codifica el RNA ribosómico) pueden ser usados
como una medida para establecer relaciones evolutivas entre células.
A partir de estudios sobre secuencias de RNA ribosómico se pueden definir tres linajes celulares
evolutivamente diferentes, dos de los cuales presentan estructura procariótica y uno que es eucariótico.
Los grupos se llaman Bacteria, Archaea y Eukarya. Sin embargo, pese al hecho de que a nivel molecular
tanto Bacteria como Archaea son procariotas, los dos grupos difieren evolutivamente entre sí tanto como del
grupo Eukarya. Se piensa que los tres grupos se originaron muy pronto en la historia de la vida sobre la
Tierra por divergencias a partir de un organismo ancestral común, el "antepasado universal".
Como las células de animales y plantas superiores son eucarióticas, se piensa que los microorganismos
eucarióticos fueron los antecesores de los organismos pluricelulares, mientras que Bacteria y Archaea
representan ramas evolutivas que nunca evolucionaron más allá del nivel microbiano. Algunos orgánulos
de células eucarióticas, como las mitocondrias y los cloroplastos, están relacionados filogenéticamente con
miembros de Bacteria que hace eones llegaron a integrarse en la célula eucariótica mediante un proceso
denominado endosimbiosis. (Eón: unidad geocronológica de rango máximo, equivalente a mil millones de
años, que comprende varias eras.)
Clasificación. Además de comprender y valorar los orígenes filogenéticos de los organismos celulares
resulta importante, por muchos motivos, ser capaz de identificar y clasificar los microorganismos. Por
ejemplo, una identificación rápida de un microorganismo causante de enfermedades en humanos (un
patógeno) es esencial para establecer el tratamiento adecuado del paciente. Se han usado varios criterios para
caracterizar microorganismos y, en la actualidad, se tienen en cuenta tanto características celulares como
filogenéticas para la clasificación. Tras un estudio profundo de la estructura y función de un
microorganismo, incluyendo su genética, metabolismo, comportamiento y otras propiedades distintivas,
es posible reconocer un cierto número de características únicas en un microorganismo dado. Una vez que
el organismo ha sido definido en función de esa serie de características propias, recibe un nombre.
Los microbiólogos usan el sistema binomial de nomenclatura establecido inicialmente por Linneo para
designar animales y plantas. El género es un nombre que se aplica a ciertos organismos relacionados; dentro
del género, cada tipo de organismo recibe un nombre de especie. Los nombres de género y especie se usan
siempre juntos para describir un tipo específico de organismo, ya sea una célula aislada o un grupo de
células. (En su escritura, el género y la especie se subrayan o se imprimen en cursiva. Por ejemplo, la
bacteria Escherichia coli, o abreviadamente E. coli, tiene una designación de género, Escherichia, y un
nombre de especie, coli.)
Diversidad microbiana. Comprender la diversidad microbiana requiere conocer las raíces evolutivas de las
células. Debido a que la evolución ha forjado todas las formas de vida en la Tierra, la diversidad estructural
y funcional que apreciamos en las células representa un conjunto de éxitos evolutivos que, a través del
proceso de la selección natural, confieren un valor de supervivencia (adaptabilidad) a los microorganismos
de hoy. La diversidad microbiana puede ser apreciada en términos de variaciones en el tamaño celular y la
morfología, estrategias metabólicas, movilidad, división celular, biología del desarrollo, adaptación a
ambientes extremos y muchos otros aspectos estructurales y funcionales de la célula.
Dentro de Bacteria se presentan varias ramas evolutivas, que incluyen a todos los procariotas causantes de
enfermedades (patógenos) y a la mayor parte de las bacterias que se encuentran normalmente en el suelo,
aguas, tracto digestivo de animales y muchos otros medios. Algunos de estos organismos contienen
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pigmentos que les permiten usar la luz como fuente de energía mediante un proceso llamado fototrofía, otros
dependen de compuestos orgánicos como fuente de energía, y algunos pueden usar incluso compuestos
químicos inorgánicos como combustible para realizar los procesos celulares. La mayor parte de los
procariotas que encontramos comúnmente cada día son Bacteria en sentido filogenético. Algunos han
adquirido estructuras especiales, como esporas, para mejorar la supervivencia. Tanto los ambientes aerobios
(que contiene O2) como los anóxicos o anaerobios pueden ser habitado por distintas especies de Bacteria.
La imagen de los procariotas denominados globalmente Archaea es, por el contrario, muy distinta. La mayor
parte de los Archaea son anaerobios, esto es, son células incapaces de vivir al aire libre. Muchos se
desarrollan bajo condiciones de crecimiento poco usuales, habitando lo que los humanos consideraríamos
ambientes extremos: fuentes termales (a veces a temperaturas superiores a las de la ebullición del agua),
acúmulos de agua extraordinariamente salina y suelos y aguas altamente ácidas o alcalinas. Muchas especies
de Archaea definen actualmente los límites más extremos de la tolerancia biológica a factores
fisicoquímicos. Algunas Archaea muestran también propiedades bioquímicas poco comunes, como los
metanógenos, que son procariotas que producen metano (gas natural) como parte esencial de su
metabolismo energético.
Entre los Eukarya que son microorganismos se encuentran las algas, los hongos y los protozoos. Las algas
contienen clorofila, un pigmento verde que sirve como molécula captadora de luz y que hace posible que las
algas realicen fototrofía. Las algas son frecuentes en hábitats acuáticos y se pueden encontrar también en
suelos. Los hongos filamentosos o unicelulares, como las levaduras, carecen de clorofila y adquieren su
energía de compuestos orgánicos en el suelo y en el agua. Se considera que los hongos juegan un papel
importante en la degradación de la materia orgánica muerta en estos y otros ambientes. Los protozoos son
Eukarya incoloros y móviles que obtienen alimento por ingestión de otros organismos o partículas
orgánicas. Los protozoos carecen de las paredes celulares que presentan las algas y los hongos y, en este
sentido, parecen células animales. Muchos protozoos son microorganismos de vida libre, pero unos cuantos
originan enfermedades en el hombre y otros animales.
Poblaciones, comunidades y ecosistemas.
Hasta ahora hemos considerado a las células como si vivieran aisladas en sus ambientes. Nada podría estar
más lejos de la verdad. En la naturaleza, las células viven asociadas con otras células en agrupaciones que
llamamos poblaciones. Tales poblaciones se componen de grupos de células relacionadas, que generalmente
derivan de una única célula parental por sucesivas divisiones celulares. La localización en el ambiente donde
vive una población se denomina hábitat de dicha población.
En la naturaleza, a su vez, las poblaciones celulares rara vez viven solas. Más bien, viven en asociación con
otras poblaciones de células en colectivos llamados comunidades. Es frecuente que las poblaciones de las
comunidades interactúen entre sí de modo beneficioso o perjudicial. Si dos poblaciones interactúan de modo
beneficioso, se mantendrán mejor juntas que separadas. En tales casos se habla de la naturaleza cooperativa
de las poblaciones. En otros casos, dos poblaciones de un mismo hábitat pueden interaccionar de tal modo
que se produce daño en una de las poblaciones. Si ocurre esa relación perjudicial, la población dañada se
reducirá en número o será reemplazada, y si el efecto es demasiado severo puede ser completamente
eliminada. En la imagen se ven dos ejemplos de comunidades microbianas: la foto de la izquierda
corresponde a una comunidad densa de algas y cianobacterias en aguas superficiales de un lago rico en
nutrientes. La microfotografía de la derecha corresponde a una comunidad bacteriana desarrollada en las
profundidades de un lago, mostrando células de diferentes tamaños.
El efecto de los organismos sobre sus hábitats. En un hábitat, los seres vivos también interaccionan con el
entorno físico y químico de dicho hábitat. Los hábitats difieren mucho en cuanto a características físicas y
químicas y un hábitat favorable para el crecimiento de un microorganismo puede resultar nocivo para otro.
Por tanto, la comunidad microbiana que podemos preciar en un hábitat dado está en gran medida
determinada por las características físicas y químicas de tal medio.
Además, los microorganismos pueden modificar las condiciones físicas y químicas de su entorno. Al realizar
los procesos metabólicos los microorganismos extraen nutrientes del medio y los usan para hacer nuevas
células. Al mismo tiempo, excretan al medio los productos de desecho de su metabolismo. Por consiguiente,
a los largo del tiempo, el medio cambia gradualmente debido a los procesos vitales. Un ecosistema es el
colectivo que forman los organismos vivos junto con los constituyentes físicos y químicos de su medio.
Como las células microbianas aisladas son demasiado pequeñas para ser percibidas a simple vista, nuestro
conocimiento de los microorganismos en la naturaleza debe empezar con estudios en que usamos el
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microscopio. El examen al microscopio de materiales naturales tales como suelo, barro, agua, alimento
deteriorado, excreciones corporales humanas y otro material vivo o muerto, revela que las muestras están
llenas de células microbianas. Aunque tales células diminutas parecen carecer de importancia, podemos
decir que los microorganismos son pequeños pero poderosos. Si bien una célula individual no puede, por sí
sola, originar un efecto perceptible sobre un hábitat, esa célula puede ser capaz de multiplicarse rápidamente
y dar lugar a un número enorme de descendientes que causan entonces un efecto importante sobre el hábitat.
Uno de los atributos más importantes e impresionantes de los microorganismos es su rápido crecimiento
(multiplicación), pues no permanecen mucho tiempo como células únicas y pueden originar poblaciones que
cambian de modo significativo las propiedades de un hábitat. En consecuencia, aunque los microorganismos
parecen ocupar nichos irrelevantes en la naturaleza, son componentes muy importantes de los ecosistemas y
tienen efectos importantes sobre las plantas y los animales superiores.
Cultivo de microorganismos en el laboratorio.
Aunque podemos tener una idea de la apariencia de los microorganismos por estudios microscópicos de un
hábitat natural, sus características se pueden estudiar mejor obteniéndolos en cultivo puro. Un cultivo
puro o axénico es un cultivo que contiene solo una clase de microorganismo. Para obtener un cultivo puro
debemos ser capaces de cultivar el organismo en el laboratorio. Esto requiere que le suministremos los
nutrientes adecuados y las condiciones ambientales que le permitan crecer. Es también esencial que
evitemos que entren en el cultivo otros microorganismos. Tales organismos no deseados, llamados
contaminantes, están por todas partes y la técnica microbiológica se centra precisamente en evitar esos
contaminantes. Una vez que se ha aislado un cultivo puro se pueden luego establecer las condiciones para
estudiar su bioquímica, su fisiología, su genética y otras características.
Medios de cultivo. ¿Qué condiciones requiere el crecimiento microbiano? Los microorganismos se cultivan
en agua que contiene los nutrientes apropiados que hemos añadido. La solución acuosa con los nutrientes
necesarios se denomina medio de cultivo. Los nutrientes que están presentes en el medio de cultivo
proporcionan a la célula microbiana los ingredientes requeridos para que produzcan más células como ella
misma. Además de una fuente de energía, que puede ser un compuesto orgánico o inorgánico, o luz, un
medio de cultivo debe tener una fuente de carbono y de nitrógeno junto a otros nutrientes necesarios. Los
medios de cultivo se pueden preparar para ser usados en estado líquido o como geles semisólidos. Un medio
de cultivo líquido puede pasar a estado semisólido por adición de un agente solidificante, que normalmente
es el agar. Los medios de cultivo con agar se disponen en cajas circulares de vidrio o plástico, con tapadera,
que se llaman placas de Petri, donde las células microbianas pueden crecer y formar masas visibles
denominadas colonias.
Técnica aséptica. Antes de proceder a realizar un cultivo de microorganismos se debe considerar cómo
evitar los contaminantes. Los microorganismos se encuentran por todas partes y, debido a su pequeño
tamaño, se dispersan fácilmente por el aire y las superficies. Por consiguiente, se debe esterilizar el medio
de cultivo inmediatamente después de su preparación para eliminar los microorganismos que lo contaminan;
esto se hace normalmente por calor. Pero es también importante tomar las debidas precauciones durante el
manejo posterior de un medio de cultivo estéril para lograr excluir de él todos los microorganismos excepto
el que deseamos. Así, hay que tener presente que otros materiales que entren en contacto con el medio de
cultivo estéril deben a su vez estar estériles.
La técnica usada para evitar contaminantes durante la manipulación de cultivos y de medios de cultivo
estériles se llama técnica aséptica. Es necesario dominarla para manejarse en un laboratorio de
microbiología, y constituye uno de los primeros métodos que el microbiólogo en ciernes tiene que aprender.
Los contaminantes aéreos constituyen el problema más común ya que el aire siempre contiene partículas de
polvo que generalmente contienen comunidades de microorganismos. Cuando los recipientes se abren,
deben ser manejados de tal modo que el aire cargado de contaminantes no entre en ellos. La transferencia
aséptica de un cultivo desde un tubo a otro, por ejemplo, se realiza normalmente con un asa de cultivo o una
aguja que ha sido previamente esterilizada por calentamiento a la llama. Los cultivos en los que ha habido
crecimiento pueden también ser transferidos a la superficie de placas de medio con agar, donde se forman
colonias mediante el crecimiento y división de células aisladas. La selección y extensión de una colonia
aislada es un método muy importante de obtener cultivos puros o axénicos a partir de comunidades
microbianas que contienen muchos organismos diferentes.
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El impacto de los microorganismos en las actividades humanas.
Uno de los objetivos del microbiólogo es comprender cómo funcionan los microorganismos y, a través de
ese conocimiento, diseñar estrategias para incrementar los beneficios de la acción microbiana y disminuir
sus riesgos. Los microbiólogos han tenido mucho éxito en la realización de tales metas, y la microbiología
ha desempeñado un papel destacado en la mejora de la salud y el bienestar humano.
Los microorganismos como agentes de enfermedad. A comienzos del siglo XX, la mayor parte de las
muertes se debían a enfermedades infecciosas; en la actualidad, tales enfermedades han pasado a segundo
plano. El control de las enfermedades infecciosas ha sido el resultado de un profundo conocimiento de los
procesos de enfermedad, de la mejora de las prácticas sanitarias y del descubrimiento y uso de agentes
antimicrobianos. La microbiología tuvo sus orígenes como ciencia en este tipo de estudios sobre
enfermedades.
No obstante, aunque ahora vivimos en un mundo donde muchos microorganismos patógenos están
controlados, para el individuo que muere lentamente del síndrome de la inmunodeficiencia adquirida
(SIDA), para el paciente de cáncer, cuyo sistema inmune está deteriorado a causa del tratamiento con
fármacos anticancerosos, o para el individuo infectado con un patógeno multirresistente, resulta evidente
que los microorganismos pueden ser todavía una amenaza para la supervivencia. Esas situaciones trágicas
aparecen con escasa frecuencia en las estadísticas sanitarias, pero no por ello dejan de causar preocupación.
Además, las enfermedades microbianas constituyen todavía una de las principales causas de muerte en
muchos países en desarrollo. La erradicación de la viruela del mundo ha sido un brillante triunfo de la
ciencia médica, pero todavía hay millones que mueren al año de otras enfermedades como la malaria, la
tuberculosis, el cólera, la enfermedad del sueño o enfermedades diarreicas severas.
Por tanto, los microorganismos constituyen aún una amenaza seria para la existencia humana. Pero, por otra
parte, debemos resaltar que la mayor parte de los microorganismos no son perjudiciales para el hombre. De
hecho, la mayor parte de ellos no representa una amenaza en absoluto y, por el contrario, son en realidad
beneficiosos porque los procesos que llevan a cabo tienen un valor inmenso para la sociedad humana. Los
microorganismos desarrollan un papel beneficioso incluso en la industria sanitaria. Por ejemplo, la industria
farmacéutica descansa en gran medida en la producción de antibióticos a gran escala por microorganismos.
Muchos otros productos farmacéuticos derivan también, al menos en parte, de las actividades de los
microorganismos.
Los microorganismos y la agricultura. Todo nuestro sistema de agricultura depende en muchos aspectos
de las actividades microbianas. Muchas de las cosechas que obtenemos son de plantas pertenecientes a las
leguminosas, que viven estrechamente asociadas con unas bacterias especiales que forman en sus raíces
estructuras llamadas nódulos. En estos nódulos radiculares, el nitrógeno atmosférico (N2) se convierte en
compuestos nitrogenados que las plantas pueden usar para crecer. De este modo, las actividades de las
bacterias de los nódulos radiculares reducen la necesidad de costosos fertilizantes para las plantas. Gran
importancia tienen también los microorganismos que son esenciales en el proceso de la digestión en
animales rumiantes, como vacas y ovejas. Esos animales tienen un órgano digestivo especial llamado rumen
donde los microorganismos llevan a cabo el proceso digestivo. Sin estos microorganismos, la producción en
algunas granjas sería prácticamente imposible. Los microorganismos también desempeñan funciones de
importancia crítica en el reciclaje de nutrientes que son importantes para los vegetales, particularmente en lo
que se refiere al carbono, nitrógeno y azufre. Las actividades microbianas en el suelo y en las aguas
transforma estos elementos a formas que son fácilmente tomadas por las plantas. Además de beneficios, los
microorganismos pueden causar también efectos nocivos sobre la agricultura. Las enfermedades de
vegetales debidas a microorganismos tienen consecuencias económicas importantes.
Los microorganismos y la industria de alimentos. Los alimentos, una vez producidos, deben ser
distribuidos de modo saludable a los consumidores. Los microorganismos desempeñan papeles importantes
en la industria alimentaria. Hay que tener en cuenta que cada año se pierden enormes cantidades de dinero
debido al deterioro de los alimentos. Las industrias de alimentos envasados, alimentos congelados y
alimentos secos se dedican a preparar alimentos de modo que no sufran deterioro por microorganismos.
Sin embargo, no todos los microorganismos tienen efectos perjudiciales sobre los alimentos. Existen
productos lácteos, como queso, yogurt y suero de leche, que son productos de alto valor económico, en cuya
manufacturación interviene parcialmente alguna actividad microbiana. Muchos artículos de panadería se
hacen usando levadura. Incluso productos tan omnipresentes en nuestra sociedad como las bebidas
alcohólicas se basan también en las actividades de las levaduras.
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Todas estas aplicaciones de los microorganismos en la alimentación y la agricultura son de origen antiguo,
pero la microbiología no se ha quedado anclada en el pasado. Consideremos, por ejemplo, la contribución de
los microorganismos a las bebidas gaseosas. El principal azúcar de muchos refrescos es la fructosa, que se
produce del almidón de maíz por actividad microbiana. El edulcorante artificial aspartamo de algunos
refrescos dietéticos es una combinación de dos aminoácidos, ambos producidos microbiológicamente.
Finalmente, el ácido cítrico, que se añade a muchos refrescos para darles sabor ácido, se produce por un
hongo en un proceso industrial a gran escala.
Microorganismos, energía y medio ambiente. Nuestra compleja sociedad industrial es dependiente de la
energía, y aquí también los microorganismos desempeñan papeles importantes. La mayor parte del gas
natural (metano) es un producto de la acción bacteriana, y su formación es debida a las bacterias
metanogénicas. Se recolecta en todo el mundo en enormes cantidades como combustible primario. Otros
cuantos productos minerales y energéticos son también el resultado de actividades microbianas, pero de
mayor interés es la relación de los microorganismos con la industria del petróleo. El petróleo crudo está
sometido al ataque microbiano y tanto la perforación como la recuperación y el almacenaje del petróleo
crudo debe hacerse bajo condiciones que reduzcan al mínimo el daño causado por los microorganismos.
Durante el siglo XXI, la intensa actividad humana dará como resultado el consumo completo de todos los
combustibles fósiles disponibles y por ello debemos buscar nuevos métodos para hacer frente a las
necesidades energéticas de la sociedad. En el futuro, los microorganismos pueden constituir importantes
fuentes alternativas de energía. Los microorganismos fototróficos pueden captar energía luminosa y
convertirla en producción de biomasa, es decir, energía almacenada en organismos vivos. La biomasa
microbiana y los materiales de desecho existentes, como los desperdicios domésticos, los excedentes de
cosechas y los residuos animales, pueden ser convertidos luego en "biocombustibles", tales como metano
y metanol, por otros microorganismos.
Los microorganismos también pueden ser utilizados para ayudar a disminuir la polución creada por las
actividades humanas, un proceso que se denomina biorremediación. Se han aislado de la naturaleza varios
microorganismos que consumen vertidos de petróleo, solventes y otras sustancias tóxicas que polucionan
el ambiente, tanto directamente en el sitio mismo del vertido como después de que los materiales tóxicos
hayan difundido por los suelos o alcanzado las aguas subterráneas. La gran diversidad de microorganismos
que hemos señalado antes, poseen muchos recursos genéticos para limpiar el medio ambiente y, en la
actualidad, este área está siendo objeto de intensa investigación. El campo de la biotecnología ha contribuido
a tal esfuerzo desarrollando métodos par ala modificación genética de microorganismos naturales a fin de
convertirlos en mejores agentes de biorremediación.
Microorganismos y el futuro. La relación anterior de beneficios de los microorganismos es sólo el
principio. Una de las nuevas áreas más excitantes de la microbiología es la biotecnología. En sentido
amplio, la biotecnología contempla el uso de microorganismos en procesos industriales a gran escala, pero
hoy en día entendemos por biotecnología la aplicación de procedimientos genéticos para crear nuevos
microorganismos capaces de sintetizar productos específicos de alto valor comercial. La biotecnología
depende en gran medida de la ingeniería genética, una disciplina que se centra en la manipulación artificial
de genes y sus productos.
Los genes de origen humano, por ejemplo, se pueden escindir en trozos, modificar, alargar o acortarse,
usando microorganismos y sus enzimas como herramientas moleculares precisas y sofisticadas. Resulta
posible hacer incluso genes completamente artificiales usando técnicas de ingeniería genética. Una vez que
un gen deseado se ha seleccionado o creado, puede insertarse en un microorganismo donde se reproducirá y
fabricará el producto génico deseado. Por ejemplo, la insulina humana, una hormona que se encuentra en
cantidades muy bajas en personas que sufren la enfermedad denominada diabetes, se produce ahora
microbiológicamente con el gen de la insulina humana introducido en un microorganismo.
La abrumadora influencia de los microorganismos en la sociedad humana resulta clara. Tenemos muchas
razones para contemplar a los microorganismos y sus actividades. Como dijo uno de los fundadores de la
microbiología, el eminente científico francés Louis Pasteur, "el papel de lo infinitamente pequeño en la
naturaleza es infinitamente grande".
Breve historia de la Microbiología.
Aunque durante mucho tiempo se sospechó la existencia de criaturas demasiado pequeñas para ser
percibidas a simple vista, su descubrimiento estuvo relacionado con la invención del microscopio. En 1664
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Robert Hooke describió los cuerpos fructíferos de mohos (células eucarióticas), pero la primera persona que
vio microorganismos con detalle fue el holandés Antonie van Leeuwenhoek quien, aficionado a construir
microscopios, utilizó microscopios simples fabricados por él mismo. Comparados con los de hoy, los
microscopios de Leeuwenhoek eran bastante primitivos pero mediante cuidadosa manipulación y un buen
enfoque fue capaz de ver microorganismos tan pequeños como los procariotas. Describió sus observaciones
en una serie de cartas dirigidas a la Royal Society de Londres, que las publicó en versión inglesa. Realiza
dibujos de algunos de sus "minúsculos animálculos". Sus observaciones fueron confirmadas por otros
investigadores, pero los avances en la comprensión de la naturaleza e importancia de estos diminutos seres
fueron muy lentos. En el siglo XIX se pudo disponer de microscopios muy mejorados, ampliándose su uso y
distribución. A lo largo de su historia, la microbiología logró los mayores adelantos cuando se
perfeccionaron los microscopios, pues éstos permitieron a los científicos penetrar más profundamente en los
misterios de la célula.
La Microbiología como ciencia no se desarrolló hasta la última parte del siglo XIX. Este largo retraso se
debe a que, además del microscopio, fue necesario idear otras técnicas básicas para el estudio de los
microorganismos. Durante el siglo XIX la investigación en torno a dos preguntas inquietantes favoreció el
desarrollo de estas técnicas y estableció las bases de la ciencia microbiológica: (1) ¿Existe la generación
espontánea? (2) ¿Cuál es la causa de las enfermedades contagiosas? A fines de dicho siglo ambas preguntas
fueron contestadas y la Microbiología se estableció firmemente como una ciencia independiente en
desarrollo.
Pasteur y la derrota de la generación espontánea. La idea básica de la generación espontánea puede
comprenderse fácilmente. El alimento se pudre si permanece durante cierto tiempo a la intemperie. Cuando
este material putrefacto se examina al microscopio se encuentra que está plagado de bacterias.
¿De dónde vienen estas bacterias que no se ven en el alimento fresco? Algunos pensaban que provenían de
semillas o "gérmenes" que llegaban al alimento a través del aire, mientras que otros opinaban que se
originaban espontáneamente a partir de material inerte.
La generación espontánea implica que la vida puede surgir de algo inanimado, pero muchos no podían
imaginar que algo tan complejo como una célula viva pudiera originarse de modo espontáneo de sustancias
inertes. El adversario más ferviente de la generación espontánea fue el químico francés Louis Pasteur, cuyo
trabajo sobre este problema fue exacto y convincente. Pasteur demostró en primer lugar que en el aire había
estructuras que se parecían mucho a los microorganismos encontrados en el material putrefacto. Esto lo
logró pasando aire a través de filtros de algodón pólvora (piroxilina), cuyas fibras retenían las partículas
sólidas. Después de disolver los filtros con una mezcla de alcohol y éter, las partículas que habían sido
atrapadas se recogían en el fondo del líquido y se examinaban al microscopio.
Pasteur descubrió que el aire normal contiene constantemente una diversidad de células microbianas que
son indistinguibles de las que se encuentran en mucha mayor cantidad en los materiales en putrefacción. Por
tanto, concluyó que los organismos encontrados en tales materiales se originaban a partir de
microorganismos presentes en el aire. Además, postuló que dichas células en suspensión se depositan
constantemente sobre todos los objetos. Si esta conclusión era correcta, entonces no debería estropearse un
alimento tratado de tal modo que todos los organismos que lo contaminaran fueran destruidos.
Pasteur empleó el calor para eliminar los contaminantes, pues se conocía que el calor destruye con
efectividad los organismos vivos. De hecho, otros investigadores ya habían mostrado que si una solución
de nutrientes se introducía en un matraz de vidrio, se sellaba y se calentaba luego a ebullición, nunca se
descomponía. Los defensores de la generación espontánea criticaban tales experimentos argumentando que
se necesitaba aire fresco para la generación espontánea y que el aire dentro del matraz cerrado se modificaba
por el calentamiento de tal manera que no era capaz de permitir la generación espontánea. Pasteur superó
esta objeción de modo simple y brillante construyendo un matraz en forma de cuello de cisne, que ahora se
designa corno un matraz de Pasteur. En tales recipientes los materiales en putrefacción se podían calentar
hasta ebullición; luego, cuando el matraz se enfriaba, el aire podía entrar de nuevo, pero la curvatura del
cuello del matraz evitaba que el material particulado, las bacterias y otros microorganismos, alcanzasen el
interior del matraz. El material esterilizado en tal recipiente no se descomponía y no aparecían
microorganismos mientras el cuello del matraz no contactara con el líquido estéril. Sin embargo, bastaba con
que el matraz se inclinara lo suficiente como para permitir que el líquido estéril contactara con el cuello,
para que ocurriera la putrefacción y el líquido se llenara de microorganismos. Este simple experimento bastó
para aclarar de un modo efectivo la controversia acerca de la generación espontánea.
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Eliminar todas las bacterias o microorganismos de un objeto es un proceso que ahora denominamos
esterilización. Los procedimientos que usaron Pasteur y otros investigadores fueron eventualmente
mejorados y aplicados a la investigación microbiológica. La superación de la teoría de la generación
espontánea condujo por tanto al desarrollo de procedimientos eficaces de esterilización sin los cuales la
microbiología no podría haberse desarrollado como ciencia. La ciencia de los alimentos, por otra parte, está
en deuda con Pasteur pues sus principios son los que se aplican en el envasado y conservación de muchos
alimentos.
Las endosporas. Aunque Pasteur tuvo éxito en la esterilización de sustancias por simple ebullición, algunos
investigadores encontraron circunstancias en las que la ebullición era insuficiente. Ahora sabemos que este
fracaso era debido a la presencia en algunos materiales de bacterias que forman estructuras
excepcionalmente termorresistentes llamadas endosporas. El trabajo inicial sobre las endosporas se debe a
dos hombres: John Tyndall en Inglaterra y Ferdinand Cohn en Alemania. Ambos observaron que algunas
preparaciones, como los jugos de frutas usados por Pasteur eran relativamente fáciles de esterilizar en tan
sólo cinco minutos de ebullición, mientras que otras no se esterilizaban ni aun usando períodos de
calentamiento más largos, a veces de varias horas. Las infusiones de heno eran llamativamente difíciles de
esterilizar. Además, si se introducía heno en el laboratorio, incluso las soluciones de azúcar no podían
esterilizarse con seguridad aunque se emplearan horas de ebullición. Cohn efectuó detalladas observaciones
microscópicas y descubrió la existencia de endosporas dentro de las células de cultivos viejos de especies de
Bacillus. Cohn y otro científico alemán, Robert Koch, aplicaron esta observación al estudio de
enfermedades, como se comentará más adelante. Las endosporas bacterianas son las estructuras vivas
conocidas más resistentes al calor, y la mayor parte de los métodos de esterilización están diseñados para
destruir estas esporas.
Pasteur consiguió otros muchos éxitos en microbiología y medicina. Entre los principales destaca el
desarrollo de vacunas para enfermedades como el carbunco, el cólera aviar y la rabia, durante el período
de 1880 a 1890. Estos avances médicos y veterinarios no sólo tuvieron importancia por sí mismos, sino
que permitieron que arraigara el concepto de la etiología microbiana de muchas enfermedades cuyos
principios estaban siendo desarrollados, por entonces, por otro científico contemporáneo de Pasteur, Robert
Koch. Revisamos a continuación este período que ha sido tan importante en la historia de la microbiología.
Koch y la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. La demostración de que los
microorganismos podían causar enfermedades proporcionó un gran impulso al desarrollo de la ciencia de la
microbiología. En realidad, ya en el siglo XIX se pensaba que se podía transmitir algo de una persona
enferma a una sana para inducir en esta última la enfermedad de la primera. Muchas enfermedades parecían
diseminarse por la población y se llamaban contagiosas; y el desconocido agente que causaba la
diseminación fue a su vez llamado el contagio. Tras el descubrimiento de los microorganismos, se aceptaba
más o menos que estos organismos podían ser responsables de enfermedades, pero faltaban pruebas. Los
descubrimientos de Ignaz Semmelweis y Joseph Lister suministraron algunas evidencias sobre la
importancia de los microorganismos como causa de enfermedades en el hombre, pero la teoría microbiana
de las enfermedades infecciosas no fue claramente concebida y probada experimentalmente hasta el trabajo
del médico Robert Koch.
En su trabajo inicial, publicado en 1876, Koch estudió el carbunco*, una enfermedad del ganado que en
ocasiones también afecta al hombre. La enfermedad está causada, por una bacteria formadora de endosporas
que llamamos Bacillus anthracis, y la sangre de un animal con carbunco está llena de células de esta gran
bacteria. En sus estudios sobre el carbunco, Koch utilizó el ratón como animal experimental y como
entonces no existían suministradores comerciales del ratón blanco de laboratorio usaba ratones grises
domésticos que cazaba en un establo cercano.
(* No deben confundirse carbunco y ántrax, ya que se trata de dos enfermedades con distinta etiología, aunque ambas sean
denominadas en inglés anthrax. El agente etiológico del carbunco es Bacillus anthracis, mientras que el del ántrax es
Staphylococcus aureus.)
Mediante cuidadosos estudios microscópicos Koch puso de manifiesto que la bacteria estaba siempre
presente en la sangre de los animales que presentaban la enfermedad. Sin embargo, la mera asociación de la
bacteria con la enfermedad no demostraba realmente que la bacteria fuera la causa de la enfermedad; podría
ocurrir que fuera un efecto de la enfermedad. Por eso, Koch demostró que era posible tomar una pequeña
cantidad de sangre de un ratón enfermo, inyectarla en un segundo ratón y provocar en éste la enfermedad y
la muerte. Tomando sangre de este segundo animal e inyectándola en otro obtenía de nuevo los síntomas
característicos de la enfermedad. Repitiendo así el proceso hasta 20 veces demostró que la bacteria causaba
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el carbunco: el vigésimo ratón murió tan rápidamente como el primero y en cada caso Koch demostró por
microscopía que la sangre del animal contenía gran cantidad de la bacteria formadora de endosporas.
Koch llevó este experimento aún más lejos. Demostró también que la bacteria podía ser cultivada fuera del
animal en líquidos nutritivos y que, incluso después de muchas transferencias o resiembras de cultivo, la
bacteria podía aún causar la enfermedad cuando se reinoculaba a un animal. Es decir, la bacteria de un
animal enfermo y la mantenida en cultivo inducían los mismos síntomas de enfermedad tras su inoculación.
Basándose en éste y otros experimentos Koch formuló los siguientes criterios, que en la actualidad reciben
el nombre de postulados de Koch, para demostrar que un tipo concreto de microorganismos causa una
enfermedad específica:
1. El organismo debe estar siempre presente en los animales que sufran la enfermedad y no en individuos
sanos.
2. El organismo debe ser cultivado en cultivo axénico puro fuera del cuerpo del animal.
3. Tal cultivo, cuando se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en él los síntomas característicos de
la enfermedad.
4. El organismo debe ser reaislado de estos animales experimentales y cultivado de nuevo en el laboratorio,
tras lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el microorganismo original.
Estos postulados no sólo proporcionaron un medio para demostrar que organismos específicos originan
enfermedades específicas sino que supusieron un enorme estímulo para el desarrollo de la Microbiología
resaltando la importancia del empleo de los cultivos axénicos (puros) en el laboratorio. Usando los
postulados de Koch como guía, otros investigadores revelaron posteriormente la causa de muchas
enfermedades importantes del hombre y los animales. Estos descubrimientos, a su vez, condujeron al
establecimiento de tratamientos adecuados para la prevención y cura de muchas enfermedades infecciosas,
ampliándose así las bases científicas de la medicina clínica.
Koch y los cultivos axénicos (puros). Como se ha indicado, para estudiar adecuadamente las actividades de
un microorganismo, como puede ser el caso de un microorganismo causante de una enfermedad, se debe
conocer con seguridad que es el único que está presente en un cultivo. En otras palabras, el cultivo debe ser
axénico o puro. Cuando se trata de objetos tan pequeños como los microorganismos asegurar la pureza no es
una tarea fácil, ya que incluso una diminuta muestra de sangre o secreción de un animal puede contener
varios tipos de microorganismos que pueden crecer luego juntos en cultivo. Koch resaltó la importancia de
los cultivos axénicos y desarrolló varios métodos ingeniosos para obtenerlos, el más útil de los cuales es el
que se basa en el aislamiento de colonias individuales sobre medios sólidos. Koch observó que cuando se
exponía al aire la superficie de algún nutriente sólido, como una rebanada de patata, y luego se incubaba, se
desarrollaban colonias bacterianas que exhibían formas y colores característicos. Dedujo que cada colonia se
originaba a partir de una única célula bacteriana que había caído sobre la superficie, había encontrado los
nutrientes apropiados y había empezado a dividirse.
Debido a que la superficie sólida evitaba que la bacteria difundiera, toda la descendencia de la célula inicial
permanecía junta y, cuando se alcanzaba un número suficiente de organismos, la masa microbiana llegaba a
ser visible a simple vista. Además, supuso que las colonias con tamaños y colores diferentes derivaban de
tipos diferentes de microorganismos. Cuando las células de una colonia aislada se dispersaban por una
superficie fresca aparecían muchas colonias, cada una de las cuales tenía la misma forma y color que la
colonia original.
Koch se dio cuenta de que este descubrimiento constituía un método muy simple de obtener cultivos
axénicos: encontró que cuando se extendían cultivos mixtos sobre superficies sólidas conteniendo nutrientes,
las células individuales podían quedar lo suficientemente separadas como para que las colonias originadas
no se mezclaran. Muchos microorganismos eran incapaces de crecer sobre rebanadas de patata, de modo que
ideó medios semisólidos en los que usaba como agentes solidificantes la gelatina, y más tarde el agar. Hoy
en día, el agar es el principal agente usado para solidificar medios de cultivo.
Es importante destacar que la importancia de los postulados de Koch va más allá de la mera identificación
de organismos causantes de determinadas enfermedades. La conclusión esencial es que el estudio de los
cultivos axénicos revela que organismos específicos tienen efectos específicos. Este principio de que los
diferentes organismos tienen actividades biológicas peculiares fue trascendental para establecer la
microbiología como una ciencia biológica independiente. Debido a las importantes contribuciones de Koch,
a comienzos del siglo veinte la bacteriología en particular y la microbiología en general ya estaban bien
establecidas.
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Koch y la tuberculosis. El mayor logro del trabajo de Robert Koch en el campo de la bacteriología médica
está relacionado con la tuberculosis. Cuando Koch comenzó este estudio (1881) una de cada siete muertes
en el hombre era debida a la tuberculosis. Aunque en aquel tiempo había una fuerte sospecha de que la
tuberculosis era una enfermedad contagiosa, el organismo causal nunca había sido visto, ni en tejidos de
enfermo ni en cultivo. Desde el principio de su trabajo sobre la tuberculosis el objetivo de Koch fue detectar
el agente causal de la enfermedad y para ello empleó todos los métodos que había desarrollado previamente:
microscopía, tinción de tejidos, aislamiento en cultivo puro e inoculación en animales.
Como ahora sabemos, el "bacilo de la tuberculosis", Mycobacterium tuberculosis, es muy difícil de teñir
debido a que posee grandes cantidades de lípido en su superficie. Pero Koch diseñó un procedimiento para
teñir M. tuberculosis en muestras de tejidos usando azul de metileno alcalino junto a un segundo colorante
(marrón bismark) que teñía sólo el tejido (este método de Koch fue el precursor de la tinción de ZiehlNielsen, usada hoy para teñir bacterias ácido-alcohol resistentes como M. tuberculosis). Usando su nuevo
método de tinción, Koch observó las células bacilares de M. tuberculosis teñidas de azul en tejidos
tuberculosos, quedando estos últimos teñidos de marrón claro. Sin embargo, por su trabajo anterior sobre el
carbunco, Koch era consciente de que la simple identificación de un microorganismo asociado a la
tuberculosis no bastaba; debía cultivar el microorganismo para demostrar que era la causa específica de la
tuberculosis.
La obtención de cultivos de M. tuberculosis no resultó fácil, pero finalmente Koch tuvo éxito al obtener
colonias de este organismo sobre suero de sangre coagulada. Posteriormente usó agar, que acababa de ser
introducido corno agente solidificante. Bajo condiciones óptimas M. tuberculosis crece muy lentamente en
cultivo, pero la persistencia y la paciencia de Koch hicieron posible la obtención de cultivos puros de este
organismo a partir de diversas fuentes de origen humano y animal. A partir de entonces fue relativamente
sencillo obtener la prueba definitiva de que el organismo que había aislado era la verdadera causa de la
tuberculosis. Los cobayas pueden ser fácilmente infectados con M. tuberculosis y posteriormente mueren de
tuberculosis sistémica. Koch demostró que los cobayas enfermos contenían masas celulares de M.
tuberculosis en sus tejidos y que los cultivos puros obtenidos de tales animales transmitían la enfermedad a
animales sanos. Koch, por tanto, cumplió los cuatro criterios de sus famosos postulados y aclaró la causa de
la tuberculosis.
Koch anunció al mundo su descubrimiento del bacilo de la tuberculosis en una famosa conferencia
pronunciada en Berlín en 1882. Las noticias sobre el descubrimiento de Koch se extendieron pronto por
Inglaterra y Estados Unidos (el New York Times lo consideró "uno de los mayores descubrimientos
científicos de nuestra era") y sus conclusiones en cuanto a la etiología de la tuberculosis se aceptaron
rápidamente. Por su trabajo sobre la tuberculosis, que incluía no solo el descubrimiento del agente causal
sino también el establecimiento de métodos para su tinción específica, y por la preparación de una sustancia
denominada tuberculina, que resultó útil para el diagnóstico de la tuberculosis, Koch recibió en 1905 el
Premio Nobel de Fisiología y Medicina, justo cinco años antes de su muerte.
Además de descubrir las causas del carbunco y la tuberculosis, Koch tuvo muchos otros triunfos en
microbiología. Éstos incluyen el descubrimiento y aislamiento del agente etiológico del cólera, Vibrio
cholerae, así como la importancia de la filtración de las aguas en el control de esta enfermedad, el desarrollo
del concepto de "transportadores" de enfermedades y la publicación de las primeras microfotografías de
bacterias. Sin duda, las contribuciones de Robert Koch al desarrollo de la microbiología moderna fueron
múltiples y monumentales.
La siguiente tabla muestra un resumen de algunos de los más importantes descubrimientos en el campo de la
microbiología, desde la época de van Leeuwenhoek hasta el siglo XX.
Desarrollo de la microbiología en el siglo XX. Durante el siglo XX la Microbiología ha experimentado un
rápido desarrollo en dos direcciones distintas, una básica y otra aplicada. En su aspecto aplicado, los
progresos de Koch condujeron a un extenso desarrollo de la microbiología médica y la inmunología en la
primera parte del siglo, con el descubrimiento de muchas nuevas bacterias patógenas y el establecimiento de
los principios por los que estos patógenos infectan el cuerpo y se hacen resistentes a las defensas del mismo.
Otros avances prácticos se registraron en el campo de la microbiología agrícola, y ayudaron a comprender
los procesos microbianos que son beneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas.
Posteriormente en este siglo, los estudios sobre microbiología del suelo, aportaron descubrimientos sobre
usos importantes de los microorganismos, tales como la formación de antibióticos y productos industriales.
Esto abrió el campo de la microbiología industrial, especialmente después de la Segunda Guerra Mundial.
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Finalmente, la microbiología del suelo ha suministrado bases sólidas para el estudio de los procesos
microbianos que ocurren en cursos de aguas tales como lagos, ríos y océanos, estudios que se agrupan en el
área de la microbiología acuática. Una rama de la microbiología acuática se centra en el estudio de procesos
capaces de suministrar agua saludable a la sociedad humana. El manejo de los desperdicios que
el hombre origina, especialmente los desechos domésticos, requiere el desarrollo de procesos de ingeniería a
gran escala para el tratamiento de residuos, muchos de los cuales son microbianos. Por ello se ha
desarrollado una microbiología sanitaria que es importante no solo para biólogos sino también para
ingenieros con responsabilidad en este campo. Para suministrar agua potable adecuada se han establecido
métodos que eliminan las bacterias peligrosas de las redes de agua, lo que constituye una verdadera
microbiología del agua potable. Hacia finales del siglo XX, todas estas subdisciplinas que se han
mencionado relacionadas con la microbiología aplicada se han unido en un área llamada ecología
microbiana.
Además de estos aspectos aplicados, que han fomentado tantos progresos en la sociedad humana, se han
desarrollado ampliamente nuestros conocimientos sobre los principios básicos de la función microbiana. En
la primera parte del siglo los avances más importantes en microbiología básica estuvieron relacionados con
el descubrimiento de nuevas clases de bacterias y su adecuada clasificación (taxonomía bacteriana). La
clasificación bacteriana requirió conocer los nutrientes que las bacterias consumen y los productos que
forman, dando lugar al campo de la fisiología microbiana. Una parte de la fisiología que llegó a ser de vital
importancia a medida que avanzaba el siglo fue el estudio físico y químico de la estructura de las bacterias,
estudios que se integraron en el campo de la citología bacteriana. Otra rama importante de la fisiología fue
el estudio de los enzimas bacterianos y de las reacciones químicas que dirigen, lo que en conjunto constituye
la bioquímica bacteriana.
El estudio de la herencia y las variaciones que las bacterias sufren a lo largo de su crecimiento y desarrollo
representa otra área muy importante de investigación básica, que configura la disciplina de la genética
bacteriana. Aunque a principios de siglo se tenían algunas ideas sobre variación microbiana hubo que
esperar hasta el descubrimiento del intercambio genético en bacterias, alrededor de 1950, para que la
genética bacteriana llegara a constituir realmente un intenso campo de estudio. La genética bacteriana, la
bioquímica y la fisiología se desarrollaron fundamentalmente hacia mediados de siglo, permitiendo a
principio de los años sesenta un conocimiento avanzado del DNA, RNA y la síntesis proteica. Surgió
entonces la Biología molecular, debido en gran parte a estos estudios con bacterias.
Otro avance importante del siglo veinte es el estudio de los virus. Aunque las enfermedades causadas por
virus se descubrieron al final del siglo diecinueve, la verdadera naturaleza de los virus no se desveló hasta
que no se alcanzó la segunda mitad del siglo veinte. Una gran parte de este trabajo comprende el estudio de
virus que infectan bacterias, los llamados bacteriófagos. El descubrimiento de que la infección vírica era
análoga a una transferencia genética requiere una importante consideración, pues permitió establecer
relaciones entre virus y otros elementos genéticos a partir de investigaciones realizadas con bacteriófagos.
Hacia los años setenta nuestros conocimientos sobre los procesos básicos de la fisiología, la bioquímica y la
genética bacteriana avanzaron de tal modo que hicieron posible manipular experimentalmente el material
genético de las células usando bacterias como instrumentos. Esos conocimientos también permitieron
introducir material genético (DNA) de origen exógeno en bacterias y controlar su replicación y
características. Esto llevó a la aparición de la biotecnología. Aunque la biotecnología tuvo inicialmente sus
orígenes en estudios básicos, su aplicación al bienestar humano ha requerido la aplicación de principios
fisiológicos y de microbiología industrial, sirviendo de ejemplo para ilustrar cómo la investigación básica y
la aplicada avanzan juntas. También por esta época se pusieron a punto técnicas de secuenciación de ácidos
nucleicos susceptibles de ser usadas en el establecimiento de relaciones filogenéticas entre procariotas,
introduciendo así nuevos conceptos revolucionarios en el campo de la clasificación biológica y permitiendo
comprender, por vez primera, la historia evolutiva de los microorganismos.
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