Conceptos1. Los microorganismo s se utilizan en microbiología industrial y

biotecnología para crear una gran variedad de productos y para ayudaren el mantenimiento y mejora del ambiente

2. La mayor parte del trabajo en microbiología industrial se estárealizando utilizando microorganismos aislados de la naturaleza omodificados mediante mutaciones. Mediante la biotecnología modernase pueden producir microorganismos con las características genéticasdeseadas.

3. La mayoría de los microorganismo s aún no se han cultivado en ellaboratorio ni descrito. Un desafío importante de la biotecnología es la«bioprospección», el cultivo y caracterización de estos microorganismo sobservados pero no cultivados.

4. La evolución forzada y las mutaciones adaptativas son algunos de losmétodos de la biotecnología moderna. Estos métodos se empleanen procesos que genéricamente se denominan «ingeniería genéticanatural».

5. El desarrollo de medios de cultivo y condiciones específicas para elcrecimiento de microorganismos es una parte principal de la microbiologíaindustrial y la biotecnología. Los microorganismo s pueden multiplicares enambientes controlados con limitaciones específi.caspara maximizar lasíntesis de los productos deseados.

6. El crecimiento microbiano en suelos, aguas y otros ambientes, en donde yase encuentran complejas comunidades microbianas, no se puede controlarcompletamente, y no es posible precisar los factores limitantes o lascondiciones físicas.

7. El crecimiento microbiano en ambientes controlados es caro; se utilizapara sintetizar metabolitos microbianos de gran valor y productos para suuso en salud animal y humana. Comparativamente, la utilización demicroorganismos en los ambientes naturales y en la agricultura son de bajocoste, ya que no requieren la síntesis de productos microbianosespecíficos.

8. En sistemas de crecimiento controlado, los diferentes productos sonsintetizados durante y después del crecimiento. La mayoría de losantibióticos se producen después del crecimiento activo.

9. Los antibióticos y otros productos microbianos siguen contribyendo albienestar de animales y de los seres humanos. Los productos más recientesincluyen compuestos antitumorales. La biología combinatorial estáhaciendo posible la producción de antibiótico s híbridos con propiedadesexclusivas.

10. Los productos de la microbiología industrial tienen un gran impacto sobretodos los aspectos de nuestras vidas. A menudo, los empleamos comosuplementos alimenticios o agentes acidificantes. Otros productos seutilizan como biosurfactantes y emulsificantes en una gran variedad deaplicaciones.

11. La degradación es crítica para comprender las contribuciones microbianasen los medios naturales. La estructura química de los sustratos y lascaracterísticas de la comunidad microbiana influyen extraordinariamente enel destino final de los elementos químicos. Los procesos de degradaciónanaeróbica son importantes en la iniciación de las modificaciones denumerosos compuestos, especialmente de los clorados y halogenados. Ladegradación puede producir compuestos más simples o modificaciones quesean menos tóxicos que los originales.

12. La utilización de biosensores está en amplio desarrollo, únicamentelimitado por los avances en biología molecular y otras ciencias.Actualmente es posible, gracias por ejemplo al empleo de lossistemas biotina-estreptavidina, detectar a tiempo real patógenosimportantes.

13. Microarrays de genes, basados en la tecnología del DNArecombinante, permiten el estudio de la expresión génica. Estos sistemasse están empleando para el análisis de los sistemas microbianoscomplejos.

14. Bacterias, hongos y virus se están empleando como biopesticidas,reduciendo la dependencia de los pesticidas químicos.

15. Las aplicaciones de los microorganismo s y su tecnología especial tienetanto aspectos positivos como negativos. Es necesario considerar losposibles impactos a gran escala de estas aplicaciones en tan rápidodesarrollo.

El microbiotendrála última palabra.Louis Pastéur.

La microbiología industrial y la biotecnología emple;¡an microorganismos para sus objetivos específicos,ya sean la obtención de nuevos productos de interás

económico, o para una mejora ambiental. La microbiologíaindustrial fue inicialmente desarrollada para la obtenciónde productos, como compuestos farmacéuticos o médicos(antibióticos, hormonas, esteroides modificados), materiasprimas en general, solventes, ácidos orgánicos,compues...tos químicos aminoácidos y enzimas de valor económico.Los microorganismo s empleados en la industria se hanais-"lado de la naturaleza y, en muchos casos, fueron modificaS!dos mediante los procedimientos clásicos de mutación;:¡selección.

La era de la biotecnología se ha desarrollado muy rápida...

mente en las últimas décadas, y se caracteriza por la modifi-,cación de microorganismosmediante técnicas de biologíamolecular, como la tecnología del DNA recombinant6:(véase el Capítulo 14). Actualmente, es posible manipularlainformación genética y diseñar productos tales como proteí~nas, o modificar la expresión de genes específicos.Además;la información genética puede ser transferida entre organis""mos muy diferentes, como entre bacterias y plantas.

La selección y uso de microorganismos en microbiolo-gía industrial y biotecnología son desafíos que requierenunconocimiento profundo del crecimiento y manipulaciónmicrobianos, así como de las interacciones con otrosorga-nismos. La utilización de microorganismos en microbiolo-gía industrial y biotecnología sigue una secuencia lógica.Enprimer lugar, es necesario identificar o crear unos microoHganismos que realicen el proceso deseado de la formamáseficiente. A continuación, estos microorganismos se utilizanen un ambiente adecuado, como un gran incubador (fermen~,tador), o en un sistema complejo, como en el suelo o lasaguas, para lograr los objetivos específicos.

42.1 Elección de microorganismospara la microbiología industrialy biotecnología

El primer objetivo para un microbiólogo industrial esencontrar un microorganismo adecuado para su empleoenel proceso deseado. Para ello, se pueden emplear variospro-cedimientos, que van desde el simple aislamiento del micro-.organismo en la naturaleza, hasta el empleo de sofisticadastécnicasmolecularespara modificarun determinadomicro~organIsmo.

in vitro.

Adaptado de: D. A. Cowan. 2000. Microbial genomes-the untapped resource.Tibtech 18:14-16. Tabla 1, p. 15.

Búsqueda de microorganismos en la naturaleza

Hasta hace relativamente poco tiempo, las fuentes principa-lesde cultivos microbianos fueron las naturales, como mues-trasdel suelo, agua, o incluso el pan y la fruta en descompo-sición.Los microbiólogos examinaron cultivos de todas lasregiones del mundo en un intento de identificar cepas conlascaracterísticas adecuadas. En cualquier caso, hoy en día,apesarde las nuevasmetodologías,el interéspor la «caza»denuevos microorganismos en la naturaleza continúa conmuchoentusiasmo.

Debido a que sólo una pequeña parte de las especiesmicrobianas de los entomos naturales pueden ser aisladas ycultivadas (Tabla 42.1), hay un continuo esfuerzo en todo elmundo por encontrar nuevos microorganismos, incluso en losambientes que se han estado examinando durante décadas. Apesar de estos esfuerzos tan continuados, pocos microorga-nismos se han podido cultivar y estudiar; la mayor parte delos microorganismos aislados en la naturaleza no han sidocultivados o identificados, aunque las técnicas molecularesestán ahora haciendo posible obtener información de estosmicrnorganiWIos no cultifl'ados (Tabla 42.2). El continuainterés por el estudio de la ecología y diversidad microbiana,especialmente en los ambientes extremos (Recuadro 42.1),está facilitando la incorporación de nuevos microorganis-mos en la industria. Asimismo, se están identificando micro-

1084 Capítulo 42 Microbiología industrial y biotecnología

Estas mutaciones «dirigidas por el entorno» tienen la capa-cidad potencial de producir microorganismos con nuevaspropiedades degradativas o biosintéticas.

Aunque está generando mucha controversia, las res-puestas de microorganismos al estrés proporciona un nuevopotencial en la generación de microorganismos con nuevascapacidades para su empleo en la microbiología industrial yla biotecnología.

2. Defina los términos ingenieríapara el controlmetabólico,ingeniería de vías metabólicas, evolución forzadaymutaciones adaptativas?

3. ¿Por qué la ingeniería genética natural puede ser deutilidaaen la biotecnología microbiana moderna?

4. ¿Qué métodos pueden utilizarse para la conservaciónd~microorganismos?

Conservación de microorganismosCrechniento de microorganismosen ambientes controlados

Una vez que se selecciona o crea el microorganismo deseadopara ser utilizado con un propósito específico, el interés secentra en la conservación del mismo para su posteriorempleo. La transferencia periódica de cultivos a medios fres-cos se ha empleado en el pasado, aunque este método puedederivar en mutaciones y cambios fenotípicos en los microor-ganismos. Para evitar estos problemas, pueden utilizarsediversas técnicas de conservación de cultivos para mantenerlas características deseadas del cultivo (Tabla 42.6). Con fre-cuencia se utilizan la liofilización o deshidratación por con-gelación, y el almacenamiento en nitrógeno líquido de losmicroorganismos. Aunque estas dos técnicas son complica-das y requieren un equipo costoso, permiten almacenar loscultivos microbianos durante años sin que pierdan viabilidadni acumulen mutaciones.

En numerosos procesos industriales, los microorganisD;lQsdeben multiplicarse utilizando medios específicamentedis~ñados y en condiciones cuidadosamente controladas,in~u::!yendo la temperatura, aireación y adición de nutri&J1t~durante el curso de la fermentación. El crecimientod~microorganismos en tales condiciones controladasescQstQ~

so, y este enfoque únicamente se emplea cuando el produ~todeseado puede venderse con un gran beneficio. Estoscost&Stan elevados derivan del cultivo del microorganismoenfiir~mentadores a gran escala, del propio equipo, la prepara~ión

del medio, la purificación del producto y el empaquetadg,~

los esfuerzos de marketing. Además, si es un productopar~su uso para la salud animal o humana, se puede requerirunainversión de millones de euros. Estos sistemas suelenpat~n;,ttarse para asegurar la recuperación de la inversióna largo'"

plazo. Evidentemente, los productos que se intentenintrogy..;;,cir en el mercado deben tener un alto valor económico.11desarrollo de los medios de cultivo adecuados y el cr~~...

1. ¿Qué tipos de técnicas de DNA recombinante se estánutilizando para modificar la expresión génica demicroorganismos?

Tabla 42.6 Métodos empleados para conservar cultivos de interés en microbiología industrialy biotecnología

Método Comentarios

Transferencia periódica Las variables de transferencia periódica a los nuevos medios son: la frecuencia de transferencia,eJmedio utilizado y la temperatura de conservación; esto puede conducir a aumentarlastasasdemutación y la producción de variantes

El cultivo madre crece sobre un slant cubierto con aceite mineral esterilizado; el slantpuedealmacenarse a la temperatura del refrigerador

Los cultivos lavados se almacenan en condiciones de refrigeración; estos cultivospuedenpermanecer viables durante 3 a 5 meses o más

No es fiable; puede producir daños en las estructuras microbianas; sin embargo, en algunosmicroorganismos puede constituir un medio útil para mantener el cultivo

Los cultivos se secan en suelo estéril, en discos de papel de filtro estériles o en gotasde gelatina;éstos pueden almacenarse en un desecador a temperatura de refrigeración o congelarseparamejorar la viabilidad

El agua se elimina mediante sublimación en presencia de un agente crioprotector; el selladohermético en una ampolla puede permitir la viabilidad a largo plazo, que segúnse ha informadoha alcanzado en algunos casos los 30 años

Se utiliza nitrógeno líquido a -196 cC, y se han conservado cultivos de microorganismosdelicadosdurante más de 15 años

Slant cubierto con aceite mineral

Medio mínimo, agua desionizada o agar-agua

Congelación en medios de cultivo

Deshidratación

Deshidratación por congelación (liofilización)

Ultracongelación

Tabla 42.7 Fermentación: un términocon muchos significados

1. Cualquier proceso que implique el cultivo en masa demicroorganismos, en aerobiosis o en anaerooiosis

2. Cualquier proceso biológico que se produzca en ausencia deoxígeno

3. Deterioro de alimentos4. Producción de bebidas alcohólicas

5. Empleo de sustratos orgánicos como aceptores y dadores deelectrones

6. Empleo de un sustrato orgánico como reductor, y del mismocompuesto, parcialmente degradado, como oxidante

7. Crecimiento dependiente de fosforilación a nivel de sustrato

miento de los microorganismos en condiciones industrialesse tratarán a continuación en esta sección.

Sin embargo, antes será necesario clarificar la terminolo-gía. El término fermentación, usado en un sentido fisiológi-co en las primeras secciones del libro, se utiliza de una formamás general en relación con la microbiología industrial y labiotecnología. Tal y como se destaca en la Tabla 42.7, eltérmino puede tener varios significados, entre ellos el culti-vo masivo de microorganismos (o incluso de células vege-tales y animales). El desarrollo de las fermentaciones in-dustriales requiere medios de cultivo apropiados y laselección a gran escala de los microorganismos. Con fre-cuencia se precisan años para lograr producciones óptimasdel producto. Se prueban muchos aislamientos en cuanto asu capacidad para producir un producto nuevo en la canti-dad deseada. Pocos tienen éxito. La fermentacióncomopro-cesofisiológico (pp. 192-194).

Desarrollo del medio de cultivo microbiano

El medio utilizado para cultivar un microorganismo es deci-sivo,ya que puede afectar a la competitividad económica de

42.2 Crecimiento de microorganismos en ambientes controlados 1085

un proceso concreto. Como fuentes de carbono, nitrógeno yfósforo suelen emplearse materiales sin refinar de menorcoste (Tabla 42.8). A menudo, se utilizan hidrolizados vege-tales crudos como fuente compleja de carbono, nitrógeno yfactores de crecimiento. Los productos de desecho proce-dentes de la industria de elaboración de bebidas se utilizancon frecuencia debido a su menor coste y a su mayor dispo-nibilidad. Otras fuentes de carbono útiles son las melazas yel suero procedente de la elaboración del queso. Mediosdecultivo microbiano (pp. 109-112).

Los niveles y el equilibrio de los minerales (especial-mente hierro) y los factores de crecimiento pueden ser cru-ciales en la formulación del medio. Por ejemplo, la biotina yla tiamina controlan la acumulación del producto en muchasfermentaciones al influir en las reacciones biosintéticas. Elmedio también puede diseñarse de forma que el carbono, elnitrógeno, el fósforo, el hierro o un factor de crecimientoespecífico se haga limitante tras un tiempo de fermentacióndado. En tales casos, esta limitación suele ocasionar un des-plazamiento del crecimiento a la producción de los metabo-litos deseados.

Crecimiento de microorganismosen un sistema industrial

Una vez que se desarrolla un medio, se debe definir elambiente físico para el funcionamiento microbiano en el sis-tema de cultivo masivo. Esto suele conllevar un control pre-ciso de la agitación, refrigeración, cambios de pH y oxige-nación. Pueden utilizarse búferes fosfato para controlar elpH al mismo tiempo que actúan como fuente de fósforo. Laslimitaciones de oxígeno pueden ser especialmente decisivasen los procesos de crecimiento aeróbicos. La concentraciónde O2y la tasa de flujo deben ser suficientemente altas comopara disponer de O2 en exceso en el interior de las célulascon objeto de que esto no constituya un factor limitante.Esto es especialmente cierto en el crecimiento de un cultivomicrobiano denso. Cuando se cultivan hongos filamentosos

Tabla 42.8 Principales componentes de los medios de cultivo utilizados en procesos industriales

Fuentede Materia prima Fuente de Materia prima

Carbono y energía MelazasSueroSemillasDesechos de agricultura (mazorcas de maíz)

Nitrógeno Líquido de macerar maízHarina de sojaDesechos de matadero

Amoníaco y sales de amonioNitratosSustancias solubles de destiladores

Vitaminas Preparaciones sin refinar de productosvegetales y animales

Hierro, trazas de sales Productos químicos inorgánicos crudos

Búferes Yeso o carbonatos crudos

Fosfatos para fertilización

Agentes antiespumantes Alcoholes de alta graduaciónSiliconasÉsteres naturales

Manteca de cerdo y aceites vegetales

y actinomicetos, estos procesos de aireación física puedenverse incluso más limitados por el crecimiento filamentoso(Figura 42.6). Este crecimiento filamentoso da lugar a unmedio viscoso y plástico conocido como caldo no newto-niano. Este medio ofrece incluso gran resistencia a la agita-ción y la aireación. Para reducir al mínimo este problema,los cultivos pueden cultivarse como partículas o unidos apartículas artificiales.

Es fundamental asegurarse de que estos factores físicosno limitan el crecimiento microbiano. Esto es aún más críti-

co durante el incremento en escala (scaleup), en el que unprocedimiento desarrollado con éxito en un pequeño matrazse modifica para usarIo en un fermentador de gran tamaño.Es preciso conocer el microambiente del cultivo y mantenerunas condiciones similares cerca de la célula individual a

pesar del incremento del volumen del cultivo. Si se consigueuna transición con éxito desde un proceso originalmentedesarrollado en un matraz ErIenmeyer de 250 mL a un reac-tor de 100 000 litros, el incremento en escala se ha llevado acabo correctamente.

El cultivo de microorganismos se realiza en tubos,matraces y fermentadores con agitación u otros sistemas decultivo masivo. El tamaño de los fermentadores con agita-ción puede variar entre 3 ó 4 y 100 000 o más litros, depen-diendo de las necesidades de producción (Figura 42.7). Enla Figura 42.7b se representa una típica unidad de fermen-tación a gran escala con agitación. Esta unidad requiereuna gran inversión de capital y operarios especializados.Todos los pasos necesarios en el crecimiento y en la reco-lección de los productos deben llevarse a cabo en condicio-nes de asepsia. No sólo se debe esterilizar el medio, sinoque la aireación, la regulación del pH, el muestreo y lavigilancia del proceso han de realizarse en condicionesestrictamente controladas. En ciertos casos hay que añadiragentes para limitar la formación de espuma, sobre todocon medios de alto contenido proteico. Con frecuencia seutilizan ordenadores para controlar y determinar el rendi-miento mediante sondas que determinan la biomasa micro-biana, los niveles de los productos metabólicos críticos, elpH, la composición del gas de entrada y de salida, y otrosparámetros. Esta información es necesaria para conseguir

un proceso y control del producto meticulosos. Las condi-ciones ambientales pueden ser cambiadas o mantenerseconstantes en el tiempo, dependiendo de los objetivos par-ticulares del proceso.

A menudo, se añade de forma continua -alimenta.

ción continua- un componente esencial del medio, quesuele ser la fuente de carbono, de forma que el microorga-nismo no disponga en ningún momento de un exceso d~sustrato. Un exceso de sustrato puede originar una acumu-lación indeseable de productos metabólicos de desecho.Este fenómeno es particularmente importante con glucosayotros carbohidratos. Si existe un exceso de glucosa en elinicio de la fermentación, podrá ser catabolizada para pro.ducir etanol, que se pierde como producto volátil reducien-do el rendimiento final. Esto puede ocurrir incluso en con-diciones aeróbicas.

Además del tradicional fermentador de agitación aeró-bico o anaeróbico, se pueden emplear otros métodosparacultivar microorganismos. Entre estos métodos alternativos,detallados en la Figura 42.8, se encuentran los fermentado-res con aspiración (Figura 42.8a) que eliminan la necesidadde agitadores que pueden causar problemas con los hongosfilamentosos. También se dispone de la fermentación deestado sólido (Figura 42.8b), en la que el sustrato no se dilu:ye en agua. En varios tipos de reactores de lecho fijo (Figu-ra 42.8c) y de lecho fluidizado (Figura 42.8d) los microor-ganismos se asocian a superficies inertes como biofilms(véanse las pp. 668-669), Yel medio fluye por delante delaspartículas fijas o suspendidas.

También pueden utilizarse las unidades de cultivo en

diálisis (Figura 42.8e). Estas unidades permiten que los pro-ductos finales o los metabolitos de los residuos tóxicos

difundan desde el cultivo microbiano, y que nuevos sustra-tos difundan hacia el cultivo a través de la membrana de diá-

lisis. Las técnicas de cultivo continuo en quimiostatos (Figu;;ora 42.8.1)pueden mejorar en gran medida la producción decélulas y la velocidad de utilización del sustrato, ya quelosmicroorganismos pueden mantenerse en una fase logarítmi-ca continua. Sin embargo, en muchos procesos industrialesno es deseable mantener continuamente un microorganismoen una fase de crecimiento activo.

Los productos microbianos a menudo se clasificancomo metabolitos primarios y secundarios. Como se mues-tra en la Figura 42.9, los metabolitos primarios son com-puestos relacionados con la síntesis de células microbianasen la fase activa de crecimiento. Entre ellos se encuentran

los aminoácidos, los nucleótidos y los productos finales dela fermentación como el etanol y los ácidos orgánicos. Ade-más, es frecuente que los microorganismos sinteticen duran-te su crecimiento enzimas con aplicación industrial asocia-das a células microbianas o a exoenzimas. Estas enzimas

tienen numerosas aplicaciones en la producción de alimen-tos y en el acabado de productos textiles.

Los metabolitos secundarios suelen acumularse duran-

te el período de limitación de nutrientes o de acumulaciónde productos de desecho que sigue a la fase de crecimientoactivo. Estos compuestos no tienen relación directa con lasíntesis de las estructuras celulares ni con el crecimiento

normal. La mayoría de los antibióticos y micotoxinas seincluye en esta categoría.

1. ¿Cuál es el coste de los medios de cultivo durante lasoperaciones industriales? Discuta el efecto de cambiarlos balances en nutrientes tales como minerales, factores

de crecimiento, y fuentes de carbono, nitrógenoy fósforo.

2. ¿Qué factores incrementan los costes de los productosmicrobianos, como los antibióticos, utilizados para la saludanimal y humana?

3. ¿Qué son los caldos no-Newtonianos, y por qué sonimportantes en las fermentaciones?

4. Discuta el significado y los objetivos de los procesos deincremento en escala.

5. ¿Qué parámetros pueden controlarse en la modernafermentación industrial a gran escala?

6. Además del fermentador con agitación ¿de qué otrasalternativas se dispone para el cultivo masivo demicroorganismos en los procesos industriales? ¿Mediantequé principio funciona el sistema de cultivo en diálisis?

42.3 Principales productosde la microbiología industrial

La microbiología industrial ha proporcionado productos quehan impactado significativamente en nuestras vidas, directa

(a) Fermentador con aspiraciónLa diferenciade densidad delas burbujas de gas atrapadasen el medio da lugar a lacirculacióndel fluido

~ Entrada de aire

(b)Fermentación en estado sólidoCrecimientodel cultivoenausencia de agua libreadicional

Entrada :

de flujo w

(c) Reactor de lecho fijo

Los microorganismos sobrelas superficies del materialdesoporte pueden ascender odescender según el flujo

Material- de soporte

fijado

Salida de flujo

(d)Reactor de lecho fluidizado

Los microorganismoslocalizados sobre laspartículas suspendidas en ellíquidoo gas, siguen lacorriente ascendente del flujo

L-. '.,' r ' Flujodesalida

~ ",- i;'. 1- I, ~. '. ~I.'" ..

~:~."f'...J ;'.1;-.. '~.~..."( "'''''I~ ~ ~.. ~.,.c. . .-<tj8 -.,

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. 4, . . ,

Flujode---.entrada

(e) Unidad de cultivo en diálisis

Los productos de desecho seseparan del cultivopordifusión. Elsustrato puededifundiral cultivoa través dela membrana

Entrada---.del medio ~'

J'.' ,. .:>

. .' l<J.

(1)Unidad de cultivoMediofresco entra en launidad, y salen el exceso demedio y algunas células yautilizadas

o indirectamente, en ocasiones desapercibidamente, e inclu-so nuestra esperanza de vida. Entre estos productos seencuentran productos industriales y agrícolas, aditivos dealimentos, productos médicos para la salud animal y huma-na, y biofueles (Tabla 42.9). Particularmente, en los últimosaños, compuestos no-antibióticos empleados en medicinahan hecho grandes contribuciones para mejorar el bienestarde los animales y el hombre. En esta sección se tratarán úni-camente algunos de los compuestos más importantes decada categoría.

Partículas

de soportesuspendidas

Medioo búfer

Figura 42.8 Métodos alternativos decultivo masivo. Además de los

fermentadores con agitación, puedenutilizarse otros métodos para cultivarmicroorganismos en procesos industriales.En muchos casos estos métodosalternativos tendrán un menor coste

operativo y pueden proporcionar lascondiciones de crecimiento específicasnecesarias para la síntesis del producto.

Salida del medio

y de las células

Antibióticos

Muchos antibiótico s son producidos por microorganismos,principalmente actinomicetos del género Streptomyces, yhongos filamentosos (véase la Tabla 35.2). En este capítu-lo se discutirá la síntesis de algunos antibióticos importan-tes para ilustrar el papel fundamental de la formulación delmedio y el control ambiental en la producción de estosimportantes compuestos. Antibióticosen medicina(Capítu-lo 35).

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456 Capítulo 19 Taxonomía microbiana

Conceptos1. Para poder comprender la gran diversidad de organismos existentes es

preciso agrupar los organismos similares y organizar estos grupos en unaestructura jerárquica sin superposiciones. La taxonomía es la ciencia de laclasificación biológica.

2. Los grupos de los procariotas (Arquea y Bacteria) parecen haber sido losprimeros en desarrollarse, seguidos de los eucariotas. Esto dio lugar a tresdominios: Bacteria, Archaea y Eucarya. Estos dominios se diferencian entresí en sus secuencias de rRNA y en muchos otros aspectos.

3. El grupo taxonómico básico es la especie, que se define en términos dereproducción sexual o bien de semejanza general.

4. Las clasificaciones se basan en un análisis de posibles relaciones evolutivas(clasificación filogenética o filética) o en la semejanza de característicasobservables (clasificación fenética). Los resultados de estos análisis amenudo se resumen en diagramas similares a árboles, denominadosdendrogramas.

5. Las características morfológicas, fisiológicas, metabólicas, ecológicas,genéticas y moleculares son todas útiles en taxonomía puesto que reflejan laorganización y la actividad de:l"genoma.Las secuencias de ácidos nucleicosson probablemente los mejores indicadores de la filogenia y el parentescomicrobianos, ya que los ácidos nucleicos constituyen el propio materialgenético o productos de la transcripción génica.

6. La primera edición del Manual Bergey de sistemática microbiana (Bergey'sManual of Systematic Bacteriology) fue principalmente fenotípica, y dividíalas bacterias en grupos en función de características de fácil determinación,como son la forma, la tinción de Gram, las relaciones con el oxígeno y lamotilidad. La segunda edición; desarrollada en 5 volúmenes se organizadesde el punto filogenético y distribuye los procariotas en 2 dominios y25 phyla.

7. La taxonomía bacteriana está experimentando rápidos cambios debido a laincorporación de nuevos datos, en particular los derivados del uso,detécnicas moleculares tales como la comparación de la estructura del RNAribosómico y las secuencias cromosómicas. Esto está Originando nuevasclasificaciones filogenéticas.

¿Qué importa el nombre? Una rosa, como quiera que lallamáramos, olería igual de bien...

W Shakespeare.

U no de los aspectos más fascinantes y atractivos delmundo microbiano es su extraordinaria diversidad.

Parece que la naturaleza ha probado prácticamentecualquier experimento posible de forma, tamaño, fisiologíay estilo de vida. La Parte VII del libro se centra en estadiversidad. El Capítulo 19 presenta una introducción a losprincipios generales de la taxonomía microbiana. Los cincocapítulos siguientes (20-24) estudian los grupos procariotasmás importantes. Finalmente, la Parte VII realiza una exten-sa introducción a los principales tipos de microorganismoseucariotas: los hongos, las algas y los protozoos.

19.1 Introducción y descripción general

Debido a la desconcertante diversidad de los organismosvivos es deseable clasificados u ordenarlos en grupos enfunción de sus semejanzas. La taxonomía [del griego taxis,

estructuración u orden; y nomos, ley, o nemein, distribuirogobernar] se define como la ciencia de la clasificaciónbiol&

gica. En un sentido más amplio, se compone de trespartes

independientes pero interrelacionadas: clasificación,no-menclatura e identificación. La clasificación es la organiza~ción de los organismos en grupos o taxones en función,desus semejanzas o de su parentesco evolutivo. La nomencJa.tura es la rama de la taxonomía que se ocupa de la asig,na-ción de nombres a grupos taxonómicos de conformidadc,onnormas publicadas. La identificación constituye el lado!práctico de la taxonomía, el proceso de determinar qu~uni

aislamiento en particular pertenece a un taxón reconocido.

A menudo, se tiende a pensar en la taxonomía comoaJ~

banal y aburrido, cuestión únicamente de hilar muy fInoen

la asignación de nombres a organismos. En realidad, la taxo-

nomía es muy importante por diversos motivos.En primerlugar, nos permite organizar cantidades ingentes de conoei-miento s sobre los organismos, ya que todos los miembrosd~un grupo específico comparten numerosas característ~as.En cierto sentido es similar a un sistema gigante de archivoo a un catálogo de biblioteca que proporciona un fácilaCC~i1so a la información. Cuanto más precisa sea la clasificació~

mayor información contiene y mayor es su utilidad.~nI

segundo lugar, la taxonomía nos permite hacer prediccioll~'y formular hipótesis para nuevas investigaciones sobr@olabase de los conocimientos existentes acerca de organismossimilares. Si un microorganismo afín tiene cierta propiedad,

"el microorganismo en cuestión puede tener tambiénlamisma característica. En tercer lugar, la taxonomía ubicaalos microorganismo s en grupos útiles y signíficativosQonnombres precisos que permiten a los microbiólogos trabajwcon ellos y comunicarse de forma eficiente. Al igual queunacomunicación escrita eficaz no es posible sin un vocabulariosuficiente, una ortografía correcta y una buena gramática,lamicrobiología no es posible sin la taxonomía. En cuartplugar, la taxonomía es esencial para la identificaciónexacijde los microorganismos. Nunca se insistirá lo bastanteac@f'''ca de su importanciapráctica en este sentido.Porejemplo,resulta esencial para la microbiología clínica (véaseelCapí.,tulo 36); el tratamiento a menudo es excepcionalmentedifí~cil cuando el patógeno causal es desconocido.

El término sistemática a menudo se emplea pararef@~rirse a la taxonomía. Sin embargo, muchos taxonomistasladefinen en términos más generales como «el estudio cientt...fico de los organismos cuyo objetivo final es caracterizadosy agruparlos de forma ordenada». Cualquier estudio delanaturaleza de los organismos, cuando los conocimientosadquiridos se aplican a la taxonomía, forman parte de lasis..temática. Por consiguiente, ésta abarca disciplinas tal(}scomo morfología, ecología, epidemiología, bioquímica,bio."logía molecular y fisiología.

La taxonomía microbiana es un tema demasiado ampliocomo para ser tratado adecuadamente en un solo capítulo.Por tanto, este capítulose centraen los principiosgeneralesy utiliza ejemplos principalmente de taxonomía bacteriana.La taxonomía de los principales grupos microbianos euca::

riotasserevisa cuando se introduce cada uno de dichos gru-posen los capítulos posteriores.

La taxonomía microbiana se encuentra actualmente en

plenaebullición. Esto se debe a la aplicación de nuevas téc-nicasmoleculares para la clasificación de los microorganis-mas.Aun cuando estos nuevos avances han generado granexcitacióny están modificando profundamente la taxonomíamicrobiana,los enfoques más tradicionales siguen siendovaliososy también se describirán en este texto. El capítuloquenos ocupa comienza con una descripción general de lataxonomíay posteriormente pasa a describir brevemente lasprincipalescaracterísticas empleadas en taxonomía micro-biana.Seguidamente, se discute la valoración de la filogeniamicrobiana,y a continuación se describen las principalesdivisionesde los seres vivos y del Manual Bergey de siste-máticabacteriológica (Bergey' s Manual oi Systematic Bac-teriology).El capítulo concluye con una breve descripcióngeneralde la filogenia y la diversidad procariotas.

19.2 Evolución y diversidad microbianas..

Sehacalculado que nuestro planeta tiene una antigüedad deunos4600millones de años. Se han descubierto restos fosi-

lizadosde células procariotas de unos 3500 a 3800 millonesdeañosen estromatolitos y rocas sedimentarias (Figura 19.1).

19.2 Evolución y diversidad microbianas 457

Los estromatolitos son rocas laminadas o estratificadas, amenudo abovedadas, que se forman por la incorporación desedimentos minerales en comunidades microbianas lamina-das (Figura 19.2). Los estromatolitos modernos están for-mados por cianobacterias; cabe suponer que al menos algu-nos estromatolitos fosilizados se formaron de la mismamanera. Por consiguiente, la vida procariota surgió muypoco después del enfriamiento terrestre. Es muy probableque los primeros procariotas fueran anaerobios. Las ciano-bacterias y la fotosíntesis productora de oxígeno se de,sarro-lIaron probablemente hace unos 2500 a 3000 millones deaños. La diversidad microbiana aumentó de forma notable a

medida que el oxígeno fue haciéndose más abundante.Los estudios de Carl Woese y sus colaboradores sopre

las secuencias de rRNA en células procariotas sugieren quelos procariotas se separaron muy precozmente en dos gruposbien diferenciados. La Figura 19.3 muestra un árbol filoge-nético universal que refleja este punto de vista. El árbol sedivide' en tres ramas principales, que representan los tresgrupos primarios: Ba.cteria,Archaea y Eucarya. Las arqueasy las bacterias fueron las primeras en separarse, y posterior-mente se desarrollaron los eucariotas. Estos tres grupos pri-marios se denominan dominios y se ubican por encima delnivel de reino (los reinos tradicionales se distribuyen entreestos tres dominios). Los dominios difieren notablemente

, "

entre sí. Los organismos eucariotas con lípidos de membra-

458 Capítulo 19 Taxonomía microbiana

[ -.: r" (\;- t.4

Figura 19.2 Estromatolitos. Estas estructuras son estromatolitos dela bahía Shark de Australia Occidental. Los estromatolitos modernosson rocas laminadas o estratificadas formadas por la incorporación desulfatos cálcicos, carbonatos cálcicos y otros minerales en lascomunidadesmicrobianas. Las láminas están formadas porcianobacteriasy otros microorganismos.

Bacteria

Bacterias verdesno del azufre

EspiroquetasBacterias

Grampositivas

Thermotoga

Aquifex

na formados fundamentalmente por acil diésteres de glic,rol y rRNA eucariótico pertenecen a Eucarya. El dominioBacteria corresponde a las células procariotas con rRNtbacteriano y lípidos de membrana constituidos princip~mente por diacil diésteres de glicerol. Los procariotas cuyarmembranas están compuestas por lípidos isoprenoides d~l,tipo diéter de diglicerol o tetraéter de diglicerol (véanse1~,1

pp. 489-490) YrRNA arqueano componen el tercer dominio1iArchaea.

Parece probable que las células eucariotas modernass~originaran de los procariotas hace 1400 millones de años.S~ha especulado considerablementeacerca de cómo podrían;

los eucariotas haberse desarrollado de sus antecesores prb~cariotas. No se sabe con exactitud cómo tuvo lugar estepFOilceso, pero se han propuesto dos hipótesis. Según la primer~,los núcleos, las mitocondrias y los cloroplastos se origin~ron por invaginación de la membrana plasmática para fOIJ!

mar estructuras de doble membrana que contenían materialgenético y eran capaces de sufrir un desarrollo y una esp(!fl

cialización adicional. Las semejanzas entre los cloroplastos;las mitocondrias y las bacterias actuales se deben a queIQ~orgánulos, que están sometidos a un lento proceso de cam~bio, han conservado características procarióticas primitivas:

De acuerdo con la hipótesis endosimbiótica, má$.~popular que la anterior, el primer acontecimiento fue la foramación de un núcleo en la célula proeucariota. La célul~eucariota ancestralpudo haberse desarrolladode la fusión"de antiguas bacterias y arqueas. Posiblementeuna célula.

huésped bacteriana Gram negativa que había perdido supared celular incorporó a su interior una arquea para form3J;

una asociación endosimbiótica. La arquea perdió subs~guientemente su pared y su membrana plasmática, mientras'la bacteria huésped desarrollaba pliegues interiores de la

Archaea Eucarya

Entamoeba Mohos

~ mucosos,\,

Halobacterias

Animales/

,," ~ Flagelados

~~ Tricomonas

~~D

'"

Microsporidia

Ip omonas

Figura 19.3 Árbol filogenético universal. Las relaciones se determinaron a partir de comparaciones'de las secuencias del rRNA.Fuente:Adaptado de G. J. Olsen y C. R. Woese. «Ribosomal RNA: A key to phylogeny» en The FASEBJournal, 7:113-123,1993.

ElmRNA de las arqueas parece ser más similar al de lasbacteriasque al de los eucariotas. Se ha descubierto mRNApoligénico,y no hay pruebas de la existencia de maduraciónporcortey empalme del DNA. Los promotores en las arque-assonsimilares a los de las bacterias.

A pesar de éstas y de otras semejanzas, existen tambiénnumerosasdiferencias entre las arqueas y otros organismos.Adiferenciatanto de las bacterias como de los eucariotas, el

brazon¡,C (véase la p. 286) del tRNA de las arqueas carecedetiminay contiene pseudouridina o l-metilpseudouridina.ÉltRNAiniciador de las arqueas contienen metionina, comoeltRNAiniciador bacteriano. Aunque los ribosomas de lasarqueasson 70S como los bacterianos, los estudios demicroscopíaelectrónica demuestran que su forma es muyvariabley que en ocasiones difiere de la de los ribosomastantoeucarióticos como bacterianos. Por otra parte, sí seasemejana los ribosornas eucarióticos en su sensibilidad a laanisomicinay en su insensibilidad al cloranfenicol y a lakanamicina.Además, su factor de elongación 2 (EF- 2) reac-cionacon la toxina diftérica de la misma forma que el EF-2(mcariótico.Algunas arqueas, como numerosos metanóge-nosdelreino Euryarchaeota, difieren de otros procariotas enlapresenciade proteínas histonas que se unen al DNA paraformarestructuras semejantes a nucleosomas. Finalmente,lasRNApolimerasas dependientes de DNA se asemejan asusortólogoseucarióticas y no a la RNA polimerasa bacte-nana.Sonproteínas complejas de gran tamaño e insensiblesalosfármacos rifampicina y estreptolidigina. Éstas y otrasdiferenciasdistinguen las arqueas de las bacterias y los(mcariotas. Ribosomasy el mecanismo de la síntesis de proteí-nas(pp.284-293);Transcripción del DNA (pp. 280-283).

Metabolismo

Teniendoen cuenta la diversidad de sus estilos de vida, nomsultasorprendenteel hecho de que el metabolismo de lasArchaeavaríenotablemente entre los miembros de los dife-

rentesgrupos.Algunas arqueas son organotrofas; otras sonautotrofas.Unas pocas llevan a cabo una forma poco comúnde«fotosíntesis».

Elmetabolismo de los hidrato s de carbono en las arque-asseconocecon una mayor exactitud. La enzima fosfofruc-toquinasano se ha encontrado en las arqueobacterias, yéstasno parecen degradar la glucosa mediante la ruta deUntner-Doudoroff.Los halófilos extremos y los termófiloscatalizanla glucosa utilizando una forma modificada de larutadeEntner-Doudoroff(véase la p. 179 Y el Apéndice IJ)€nlaquelos productos intermediarios iniciales no están fos-forilados.Los halófilos presentan ligeras modificaciones delarutarespecto de la de los termófilos extremos, pero tam-biénproducenpiruvato y NADH o NADPH. Los metanó-genosno catabolizan la glucosa de forma significativa. Adiferenciade lo que sucede con la degradación de la gluco-sa,la gluconeogénesis se produce por una inversión de larutadeEmbden-Meyerhof en los halófilos y los metanóge-

20.1 Introducción a Archaea 491

nos. Todas las arqueas que han sido estudiadas tienen lacapacidad de oxidar el piruvato a acetil-CoA. Carecen delcomplejo piruvato deshidrogenasa presente en los eucariotasy las bacterias respiradoras, y utilizan para este propósito laenzima piruvato oxidorreductasa. Los halófilos y el termófi-lo extremo Thermoplasma sí parecen tener un ciclo de losácidos tricarboxílicos funcional. No se ha encontrado toda-

vía un metanógeno con un ciclo de los ácidos tricarboxílicoscompleto. Se han obtenido pruebas de cadenas de citocro-mos funcionales en los halófilos y los termófilos. Ruta deEmbden-Meyerhof y ciclo de los ácidos tricarboxílicos (pp. 189,194-196YApéndice II).

Se conoce con muy poco detalle las rutas biosintéticasen las arqueas. Los datos preliminares sugieren que las rutasde síntesis de aminoácidos, purinas y pirimidinas son simi-1ares a las de otros organismos. Algunos metanógenos soncapaces de fijar el dinitrógeno atmosférico. No sólo muchasarqueas utilizan una inversión de la ruta de Embden-Meyer-hof para sintetizar la glucosa, sino que al menos algunosmetanógenos y termófilos extremos emplean glucógenocomo su principal material de reserva.

El autotrofismo está muy extendido entre los metanóge-nos y los termófilos extremos, y la fijación de CO2,se produ-ce de más de una manera. Thermoproteus y posiblementeSulfolobus incorporan CO2por medio del ciclo reductor delos ácidos tricarboxílicos (Figura 20.6a). Esta ruta tambiénestá presente en las bacterias verdes del azufre (véanse laspp. 508-509). Las bacterias metanógenas y probablemente lamayoría de los termófilos extremos incorporan CO2median-te la ruta reductora del acetil-CoA (Figura 20.6b). Una rutasimilar está presente también en las bacterias acetogénicas yen las bacterias autotrofas reductoras del sulfato.

Taxonomía de Archaea

Como se muestra en las Figuras 19.3 y 19.13 Y en la Ta-bla 19.8 (véase la p. 472), las arqueas constituyen un grupomuy bien diferenciado de otros tipos de organismos vivos.Dentro de su grupo, sin embargo, existe una gran diversidad(véanse las Figuras 19.13 y 19.14). La primera edición delManual Bergey divide las arqueas en cinco grupos principa-les en base a las diferencias fisiológicas y morfológicas. LaTabla 20.1 resume algunas de las principales característicasde estos cinco grupos y cita representantes de cada uno deellos.

Sobre la base de los datos del rRNA, la segunda edi-ción del Manual Bergey dividirá las arqueas en los phylaEuryarchaeota [del griego eurus, amplio; y archaios, anti-guo o primitivo] y Crenarchaeota [del griego crene, fuenteo manantial; y archaios]. Los euriarqueotas reciben estenombre por el amplio número de nichos ecológicos queocupan y presentan diversos patrones metabólicos. El phy-lum Euryarchaeota es muy diverso con cinco clases (Me-thanobacteria, Methanococci, Halobacteria, Thermoplas-mata, Thermococci, Archaeglobi y Methanopyri), nueve

¡

I

rabia. 6.3

6.4 Influencia de los factores ambientales sobre el crecimiento 129

Respuestas microbianas a factores ambientales

Factory términodescriptor Definición Microorganismos representativos

Solutosy actividad del aguaOsmotolerante Capaz de crecer en un amplkio rango de actividad

del agua o presión osmóticaRequiere altas concentraciones de cloruro sódico

para crecer, normalmente por encima de 0.2 M

Crece bien a O°c y tiene una temperatura óptimade 15°C o inferior

Puede crecer a O-7°C; óptima entre 20y 30°C; máxima alrededor de 35 °c

Temperartura óptima alrededor de 20-45 °cPuede crecer a 55°C o superior; la óptima a

menudo entre 55 y 65°CTemperatura óptima entre 80 y 113°C

Completamente dependiente del O2atmosféricopara crecer

No requiere O2para crecer, pero crece mejor en supresencIa

Crece igualmente bien en presencia como enausencia de O2

No tolera el O2y muere en su presenciaRequiere niveles de O2por debajo de 2-10 % para

crecer, y es dañado por el O2atmosférico (20 %)

Halófilo

pHAcidófilo Óptimo de crecimiento entre pH OY5.5

NeutrófiloA1calófilo

Óptimo de crecimiento entre pH 5.5 Y8.0Óptimo de crecimiento entre pH 8.5 Y11.5

TemperaturaPsicrófilo

Psicrotrofo

MesófiloTermófilo

Hipertermófilo

Concentración de oxígenoAerobioobligado

Anaerobio facultativo

Anaerobio aerotolerante

AnaerobioobligadoMicroaerófilo

PresiónBarófilo Crece más rápido a altas presiones hidrostáticas

I

La mayoría de las bacterias, algas y hongos poseen unaparedcelularrígida que mantiene la forma e integridad celu-lar, pero cuando se colocan microorganismo s con paredGelularrígida en ambientes hipertónicos, disminuye el niveldeaguacelular, la célula se contrae, y la membrana plasmá-ticase separa de la pared celular. Este proceso se denominaplasmolisis.Esta situación deshidrata la célula y puededañarla membrana plasmática; normalmente, la célula nomuere,aunquees inactiva metabólicamente y deja de crecer.

Muchos microorganismo s conservan la concentraciónosmóticade su protoplasma por encima del correspondien-t~a su hábitat utilizando 80]ut08 compatibles, de maneraque aunque estén en medios teóricamente hipotónicos, no~ntraagua a la célula. Estos solutos son compatibles con elIñétabolismoy el crecimiento aun cuando se encuentren enconcentracionesintracelulares elevadas. Así, por ejemplo,la mayoríade las bacterias eleva su concentración osmóti-Gainternamediante la síntesis o captación de colina, betaí-na,prolina, ácido glutámico y otros aminoácidos; tambiénparticipan, en cierto grado, cantidades elevadas de ion

potasio. Con el mismo objetivo, algas y hongos utilizansacarosa y polioles -p. ej., arabitol, glicerol y manitol-.Los polioles y aminoácidos son solutos ideales para estafunción porque normalmente no alteran la estructura y fun-ción de las enzimas. Algunas bacterias como Halobacte-rium salinarium elevan su concentración osmótica con

iones potasio (también aumentan los iones sodio, pero notanto). De hecho, las enzimas de Halobacterium son tanpeculiares que requieren concentraciones de sal elevadaspara poder desarrollar una actividad normal (véase la sec-ción 20.3). Como los protozoos no tienen pared celular,deben utilizar vacuolas contráctiles (véase la Figura 27.3)para eliminar el exceso de agua cuando habitan en entornoshipotónicos. Ósmosis y función protectora de la pared celular(p. 64).

La cantidad de agua disponible para el microorganismose puede reducir debido a las interacciones de la misma conmoléculas de soluto (efecto osmótico) o por adsorción a lassuperficies de sólidos (efecto matricial). Como la concentra-ción osmótica de un hábitat tiene efectos tan marcados sobre

Staphylococcus aureus, Saccharomyces rouxii

Halobacterium, Dunaliella, Ectothiorhodospira

Sulfolobus, Picrophilus, Ferroplasma, Acontium, Cyanidiumcaldarium

Escherichia, Euglena, ParameciumBacillus alcalophilus, Natronobacterium

Bacillus psychrophilus, Chlamydomonas nivalis

Listeria monocytogenes, Pseudomonas fluorescens

Escherichia coli, Neisseria gonorrhoeae, Trichomonas vaginalisBacillus stearothethermophilus, Thermus aquaticus, Cyanidium

caldarium, Chaetomium thermophileSulfolubus, Pyrococcus, Pyrodictium

Micrococcus luteus, Pseudomonas, Mycobacterium; la mayoríade las algas, hongos y protozoos

Escherichia, Enterococcus, Saccharomyces cerevisiae

Streptococcus pyogenes

Clostridium, Bacteroides, Methanobacterium, Trepomonas agilisCampylobacter, Spirillum volutans, Treponemapallidum

Photobacterium profundum, Shewanella benthica,Methanococcus jannaschii

111

11'

:1./1

122 Capítulo 6 Crecimiento microbiano

biólogos. Los estudios sobre la velocidad de crecimiento.contribuyen a la investigación básica en fisiología y ecolo-gía, y a la solución de problemas aplicados industriales. Enconsecuencia, se van a analizar los aspectos cuantitativos delcrecimiento de fase exponencial.

Durante la fase exponencial, cada microorganismo sedivide a intervalos constantes. Por ello, la población dupli-cará su número durante un período determinado de tiempo,denominado tiempo de generación o de duplicación. Estasituación puede ilustrarse con un ejemplo sencillo. Suponga-mos que se inocula un tubo de ensayo con una célula que sedivide cada 20 minutos (Tabla 6.1). La población será de 2células después de 20 minutos, de 4 células a los 40 minu-tos, y así sucesivamente. Como la población se duplica encada generación, el incremento de la población será expo-nencial o logarítmico, igual a 2n, donde n es el número degeneraciones (Figura 6.3).

Estas observaciones pueden expresarse en ecuacionespara determinar el tiempo de generación.

Supongamos que No=Número inicial de células

Nt =Población en un tiempo t

n =Número de generaciones en un tiempo t

Entonces, el análisis de los resultados de la Tabla 6.1 mues-tran que

Despejando n, número de generaciones, tras aplicar logarit-mos en base decimal,

log Nt =log No + n . log 2 y

n= log Nt -log No

log 2

log Nt -log No0.301

La velocidad de crecimiento durante la fase exponencial enun cultivo discontinuo puede expresarse por la constante de

a El cultivo hipotético comienza con una célula con un tiempo de generación de20 minutos.

90

1.500

80

70

0.000120

oO 20 40 60 80 100

Minutos de incubación

Figura 6.3 Crecimiento microbiano exponencial. En esta figura sehan representado gráficamente los datos de la Tabla 6.1 para seisgeneraciones, en forma lineal (-) y logarítmica (0-0). La curva decrecimiento es exponencial, como muestra la linealidad de la gráficalogarítmica.

velocidad de crecimiento (k). Equivale al número de gene-raciones por unidad de tiempo, expresado a menudo comogeneraciones por hora.

n 10gNt-logNok=-=t 0.301t

A partir de las fórmulas anteriores se puede calcular el tiem-po que tarda una población en duplicar su número -esto es,el tiempo medio de generación o tiempo medio de duplica-ción (g)-. Si la población se duplica en un tiempo t (t = g),entonces, tras una generación,

Se sustituye 2 No en la ecuación de velocidad media decrecimiento y se despeja k.

log (2 No) -log Nok=0.301g

log 2 + log No-log No

0.301g

k=~g

Tabla 6.1 Ejemplo de crecimientoexponencial

Número PoblaciónTiempoa de divisiones Zn (Nox Zn) logloNt

O O 2° = 1 1 0.00020 1 i= 2 2 0.30140 2 22= 4 4 0.60260 3 23 = 8 8 0.90380 4 24 = 16 16 1.204

100 5 25 = 32 32 1.505120 6 26 = 64 64 1.806

-60

II 50 1.000 --UJ.!

U).!!! 40 :a>

():¡ el>() "Cel> O"C 1..

30 el>O E'-CI) ,E 0.500 s::, <:>...Z

20 O').2

El tiempo medio de generación es la inversa de la constantede la velocidad media de crecimiento.

1g=T

El tiempo medio de generación (g) puede determinarsedirectamente a partir de una gráfica semilogarítmica con losdatos de la multiplicación (Figura 6.4), y la constante develocidad de crecimiento se calculará a partir del valor g. Eltiempo de generación puede también calcularse directamen-te a partir de las ecuaciones anteriores. Por ejemplo, supon-gamos que una población bacteriana aumenta de 103a 109células en 10 horas.

, 9

k =log 10 - log 103 9 - 3(0.301)(10 h) = 3.01 h =2.0 generaciones (gen)/h

3.00

Faseexponencial

(lag)2.00

Figura 6.4 Determinación del tiempo de generación. El tiempo degeneraciónpuede determinarse a partir de la curva de crecimientomicrobiano. Se representan los datos de la población en un papelcuadriculado semilogarítmico, indicando el número de células en eleje logarítmico.Luego, se lee directamente el tiempo de duplicaciónde la población a partir de la gráfica. También puede representarse enejes regulares utilizando ellogaritmo del número de células frente altiempo.

6.1 Curva de crecimiento 123

Tabla 6.2 Tiempos de generación de algunosmicroorganismo s seleccionados

1g = =0.5 h/gen O30 min/generación

2.0 gen/h

Los tiempos de generación cambian notablemente segúnla especie de microorganismo y las condiciones ambientales.Los valores varían desde menos de 10 minutos (0.17 horas)en algunas bacterias, hasta varios días, en algunos microor-ganismos eucariotas (Tabla 6.2). Los tiempos de generaciónen la naturaleza suelen ser más largos que en cultivo in vitro.

1. Defina crecimiento. Describa las cuatro fases de la curva

de crecimiento en un sistema cerrado y razone las causasy características de cada una de ellas.

2. Defina crecimiento equilibrado, crecimientodesequilibrado, experimento shift-up y experimentoshift-down.

3. ¿Cómo afecta el incremento en un nutriente limitante sobreel rendimiento celular y la tasa de crecimiento?

4. ¿Qué son tiempo de generación o duplicación, y constantede velocidad media de crecimiento? ¿Cómo puedendeducirse a partir de datos de crecimiento?

1.00 - - - - -...- ....- - - - o.;;:;¡.-r--

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.11I11

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Fase de 1latencia 1

(lag) 1-----. I

11I

0.10o 1 2 3 4 5

-9

Tiempo (horas)

Temperatura Tiempo deMicroorganismo (OC) generación (horas)

Bacterias

Beneckea natriegens 37 0.16Escherichia coli 40 0.35Bacillus subtilis 40 0.43Staphylococcus aureus 37 0.47Pseudomonas aeruginosa 37 0.58Clostridium botulinum 37 0.58Rhodospirillum rubrum 25 4.6-5.3Anabaena cylindrica 25 10.6Mycobacterium tuberculosis 37 ::::::12Treponemapallidum 37 33

AlgasScenedesmus quadricauda 25 5.9Chlorella pyrenoidosa 25 7.75Asterionella formosa 20 9.6Euglena gracilis 25 10.9Ceratium tripos 20 82.8

Protozoos

Tetrahymena geleii 24 2.2-4.2Leishmania donovani 26 10-12Paramecium caudatum 26 10.4Acanthamoeba castellanii 30 11-12Giardia lamblia 37 18

HongosSaccharomyces cerevisiae 30 2Monilinia fructicola 25 30