CAPITULO 1Introduccin a la Microbiologa

1.1 Microbiologa 1.2 Los microorganismos como clulas1.3 Los virus, entes microscpicos no celulares1.4 Clulas eucariotas y procariotas1.5 Posicin de los microorganismos en la naturaleza1.6 Taxonoma y filogenia1.7 Algunos trabajos claves en microbiologa1.8 El inicio de la genmica microbiana y la post-genmica1.9 Referencias bibliogrficas

Louis Pasteur (1822 1895)Qumico y Bilogo Francs que fund la ciencia de la Microbiologa, demostr la teora de los grmenes como causantes de enfermedades (patgenos), invent el proceso que lleva su nombre y desarroll vacunas contra varias enfermedades incluida la rabia.

1.1 Microbiologa

Captulo 1. Introduccin a la Microbiologa

1

2

La Microbiologa es el estudio de un grupo amplio y diverso de organismos microscpicos que existen como clulas aisladas o asociadas. Los microorganismos incluyen bacterias, hongos, protozoarios y virus que aunque son microscpicos no son celulares. La Microbiologa analiza la diversidad microbiana y su evolucin as como el rol de los microorganismos en el mundo en general, en la sociedad humana, en el cuerpo humano y en animales y plantas.La Microbiologa gira en torno a dos temas fundamentales, uno bsico y otro aplicado. Como ciencia bsica, la Microbiologa suministra algunas de las herramientas de investigacin ms verstiles para determinar la naturaleza de los procesos caractersticos de la vida. Los sofisticados conocimientos que poseemos sobre los principios fsicos y qumicos que gobiernan los procesos vitales han surgido de estudios con microorganismos. Esto se debe a que los microorganismos comparten con las clulas de los organismos pluricelulares muchas propiedades bioqumicas. Adems, las clulas microbianas pueden alcanzar elevadas densidades de poblacin en cultivo y son fcilmente manipulables para estudios genticos. Ejemplo el conocimiento del ADN surgi de un estudio de transferencia gentica en bacterias.Como ciencia biolgica aplicada, la Microbiologa se ocupa del rol de los microorganismos en diferentes sectores como la industria de alimentos. Los productos agrcolas o los animales en explotaciones ganaderas deben llegar a los consumidores con calidad sanitaria. Los microorganismos tienen gran importancia en la industria alimentaria porque pueden ocasionar el deterioro de los alimentos y ocasionar prdidas econmicas inmensas. Las industrias de enlatado, congelado, desecado de alimentos y otras, tienen como finalidad acondicionar los alimentos de tal modo que no sufran deterioro. Los microorganismos causantes de enfermedades y transmitidos por alimentos tambin son dignos de consideracin. Los alimentos deben estar adecuadamente preparados y controlados para evitar la transmisin de enfermedades, ya que el alimento apto para el consumo humano puede servir tambin para sustentar el crecimiento de muchos microorganismos.No todos los microorganismos tienen efectos indeseables sobre los alimentos o sobre los consumidores. Por ejemplo, los productos lcteos, como queso, yogurt, mantequilla, que se manufacturan en gran medida por la actividad microbiana, son de gran valor econmico. De modo similar, productos de importancia en la industria alimentaria como encurtidos, bebidas alcohlicas, cido ctrico, actico, enzimas y otros son obtenidos por actividad microbiana.

1.2 Los microorganismos como clulasMicroorganismo es un organismo que no se puede observar a simple vista (microscpico), constituido por una clula o varias, incluyendo los virus. La clula es la unidad fundamental de toda materia viva. La clula es una entidad aislada de otras clulas por una membrana celular y en algunos casos por una pared celular. Contiene una variedad de estructuras (ncleo o nucleoide, citoplasma) y componentes qumicos (protenas, cidos nucleicos, lpidos, polisacridos), que hacen posible su funcionamiento.Todos los organismos celulares son estructuras altamente organizadas que muestran alguna forma de metabolismo. Esto es, las clulas toman sustancias qumicas del medio y las transforman, conservan parte de la energa liberada, de modo que las clulas pueden usarla y luego eliminan los productos de desecho. Todas las clulas poseen reproduccin, es decir, son capaces de dirigir una serie de reacciones bioqumicas que conducen a su propia sntesis. Como resultado de los procesos metablicos, una clula crece y se divide para formas dos clulas. Muchas clulas sufren diferenciacin, un proceso por el que se transforman nuevas sustancias o estructuras. A menudo, la diferenciacin celular es parte de un ciclo vital en el que las clulas forman estructuras especiales relacionadas con la reproduccin, la dispersin o la supervivencia.Las clulas responden a seales qumicas en su medio ambiente, tales como las producidas por otras clulas. Por tanto pueden comunicarse e incluso estimar su propio nmero en el ambiente circundante por medio de pequeas molculas que se difunden y pasan entre clulas vecinas. Con frecuencia los organismos vivos tienen movimiento por autopropulsin, y en el mundo microbiano existen diferentes mecanismos responsables de la movilidad. Finalmente, a diferencia de las estructuras inertes, las clulas pueden evolucionar, cambiando permanentemente sus caractersticas y transmitiendo las nuevas propiedades a su descendencia. De alguna forma, la primera clula debi originarse a partir de una estructura no celular hace ms de 3 800 millones de aos. Despus se produjeron una serie de sucesos altamente probables, tales como el crecimiento y divisin, originndose poblaciones de clulas a partir de las cuales tuvo lugar la evolucin mediante la seleccin de nuevas caractersticas y mayor diversidad.

1.3 Los virus, entes microscpicos no celularesLos virus no son clulas. Carecen de muchos de los atributos de las clulas y no son sistemas dinmicos abiertos. Una partcula vrica aislada es una estructura esttica muy estable e incapaz de cambiar o reemplazar sus partes constituyentes. Slo cuando se asocia con una clula el virus es capaz de replicarse y adquirir algunos de los atributos de un sistema vivo. As, a diferencia de las clulas, los virus no tienen metabolismo propio. Aunque poseen informacin gentica (ADN o ARN) los virus carecen de un sistema de traduccin y usan la maquinaria de la clula para la sntesis de protena. Los virus infectan diversos organismos incluyendo a los microorganismos.

1.4 Clulas eucariotas y procariotasLas clulas eucariotas son por lo general ms grandes y estructuralmente ms complejas que las procariotas. Su caracterstica diferencial es la presencia de estructuras limitadas por membranas denominadas orgnulos que corresponden al ncleo, mitocondrias y cloroplastos. Los microorganismos eucariotas son las algas, los hongos y los protozoos. Las clulas procariotas tienen una estructura interna ms simple y carecen de orgnulos o estructuras rodeadas por membranas (Tabla 1.1). Los procariotas corresponden a las Bacteria y Archaea.Los genomas presentan una organizacin diferente en clulas procariotas y eucariotas. En los procariotas, el ADN se encuentra como una larga molcula de dos cadenas formando el cromosoma que se condensa para originar una masa visible llamada nucleoide. En la mayora de los organismos procariotas el ADN es circular y en general poseen un cromosoma. Por esta razn la mayora de los procariotas contiene una copia de cada gen y son genticamente haploides. Asimismo la mayora de los procariotas contienen ADN extracromosmico dispuesto de manera circular constituyendo los plsmidos (que confieren propiedades especiales a las clulas pero no requeridas para la supervivencia).En los eucariotas, el ADN se presenta dentro del ncleo en molculas lineales empaquetadas en un estado muy organizado formando los cromosomas. El nmero depende del organismo, por ejemplo Saccharomyces cerevisiae contiene 16 cromosomas (ocho pares). El humano contiene 46 (23 pares). Los cromosomas eucariotas adems de ADN contienen tambin protenas que favorecen el plegamiento y empaquetamiento del ADN, as como otras protenas necesarias para la expresin gnica. Una diferencia fundamental es que los eucariotas contienen dos copias de cada gen y son, por tanto genticamente diploides.Un procariota tpico como la bacteria Escherichia coli contiene un cromosoma con ADN de alrededor de 4,6 millones de pares de bases y cerca de 4 300 genes. Una clula eucariota como la de los humanos contiene mil veces ms ADN que E. coli y alrededor de siete veces su nmero de genes.Tabla 1.1 Caractersticas diferenciales entre Procariotas y Eucariotas CaractersticaProcariotasEucariotas

Organizacin del material genticoMembrana nuclearADN con histonasNmero de cromosomasIntrones en los genesNucleoloDesarrollo de mitosisRecombinacin genticaMitocondriasCloroplastosMembrana plasmtica con esterolesFlagelos

Retculo endoplasmticoPeptidoglicanoRibosomasLisosomas y peroxisomasMicrotbulosCitoesqueletoDiferenciacinAusenteNoUno*RaroAusenteNoParcial transferencia unidireccionalAusentesAusentesNo**Submicroscpicos,una fibraAusentePresente***70 SAusentesAusentes o rarosAusenteRudimentariaPresenteSiMs de unoComnPresenteSiMeiosis y fusin gametosPresentesPresentesSiMicroscpicos,20 microtbulosPresenteAusente80 SPresentesPresentesPresenteTejidos y rganos

*Algunas excepciones** Excepcin micoplasmas y metantrofos*** Excepcin micopolasmas y arqueobacteriasFuente: Prescott et al. 1999

1.5 Posicin de los microorganismos en la naturalezaExisten millones de organismos vivos en la naturaleza. El hombre en su afn de ordenarlos cre la taxonoma Ciencia de la clasificacin, nomenclatura e identificacin. Carlos Linneaus, a mediados del siglo XVIII, orden a todos los seres vivos en dos reinos bien definidos (segn tipo de nutricin; fotosntesis, absorcin y ingestin).Reino animalia: Organismos mviles, hetertrofos (absorcin, ingestin)Reino plantae: Organismos inmviles, auttrofos (fotosntesis). Ernest Haeckel, en 1866 propuso un tercer reino, denominado Protista, conformado por organismos unicelulares o multicelulares pero carentes de especializacin tisular (sin tejidos). Los Protistas inferiores incluan clulas procariotas: bacterias, cianobacterias (algas verdes azules) y los Protistas superiores clulas eucariotas: algas, hongos y protozoos. Chatton, en 1937 dividi a los seres vivos en dos grupos segn presentaran o no membrana (organizacin celular). Aparecieron los trminos:Eucariota: Organismos cuyas clulas tienen membrana nuclear: protozoos, algas, hongos.Procariota: Organismos cuyas clulas carecen de membrana nuclear: bacterias. Whittaker, en 1969 propuso un sistema de clasificacin basado en dos niveles de organizacin celular y tres formas de nutricin.a) Reino Monera: Procariotas, bacterias y algas azul verdosas. Predominantemente absorcin, algunas fotosntesis.b) Reino Protista: Eucariotas, unicelulares, microalgas, protozoos, hongos sencillos. Eucariotas sin tejidos verdaderos. Absorcin, ingestin, fotosntesis.c) Reino Fungi: Eucariotas osmtrofos, Hongos filamentosos y levaduras. Eucariotas pluricelulares multinucleados con ncleos dispersos en su micelio con pared y a menudo tabicado. Absorcin.d) Reino Plantae: Eucariotas fotosintticos, multicelulares con clulas eucariotas, pared celular rgida y nutricin fotoautotrfica.e) Reino Animalia: Eucariotas fagtrofos, multicelulares con clulas eucariotas sin pared celular y nutricin principalmente ingestiva.

1.6 Taxonoma y filogeniaLa taxonoma es la ciencia de la clasificacin. Se apoya en propiedades fsicas observables que constituyen el fenotipo de una clula e incluyen su apariencia (morfologa), la forma en la que interaccionan con colorantes o tintes y su capacidad de convertir en producto qumico determinado en otro.Un mtodo diferente y nuevo de clasificacin es la filogenia, que detecta diferencias en microorganismos basadas en caractersticas genticas codificadas en el ADN y en el ARN que est implicado en la sntesis de protenas. Particular importancia tienen las secuencias de base par en el ARN ribosmico (16 Svedberg). En 1987 Carlos Woese a travs de la secuenciacin del ARNr 16S determin que los procariotas estn divididos en dos grupos:Arqueobacterias: Bacterias que producen metano y otros que viven en medios ambientes muy cidos, muy calientes o muy salinos (ambientes extremos).Eubacterias: Bacterias comnmente aisladas del cuerpo, suelo y agua.En 1990, Carlos Woese propuso un nuevo Taxon superior al reino que denomin Dominio. Todos los seres vivos se agruparan en tres dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. De estos dominios dos son exclusivamente microbianos y estn formados por clulas procariotas del reino Monera. y el tercero Eukarya incluye a los reinos Protista, Fungi, Plantae y Animalia.

a.Dominio:BacteriaReino:MoneraPhylum :ProteobacteriaClase:AlphaproteobacteriaOrden:RhodosprillaesFamilia:AcetobacteriaceaeGnero:AcetobacterEspecie:Acetobacter aceti

b. Dominio:ArchaeaReino: MoneraPhylum:EuryarchaeotaClase:MethanobacteriaOrden:MethanobacterialesFamilia:MethanobacteriaceaeGnero:MethanobacteriumEspecie:Methanobacterium thermoautotroplicum

c. Dominio:EukaryaReino: FungiDivisin:AscomycotaClase:PlectomycetesOrden:EurotialesFamilia:TricomaceaeGnero:AspergillusEspecie:Aspergillus niger

La unidad bsica taxonmica es la especie. Los grupos de especies con mayores similitudes se agrupan en conjuntos denominados gneros y a su vez grupos de gneros con similitudes suficientes se agrupan en familias. Una vez que el organismo ha sido definido, recibe un nombre segn el sistema binomial de nomenclatura establecida por Linneo. El nombre del gnero se escribe con mayscula y se coloca delante de la especie que nunca se escribe con mayscula. El gnero y la especie se imprimen en cursiva. Ejm: Escherichia coli. Una vez mencionado el nombre del gnero, se puede abreviar usando slo la mayscula pero nunca se abrevia el nombre de la especie ejemplo E. coli.La filogenia se refiere a organismos segn su evolucin histrica, mientras que la taxonoma se refiere a organismos segn caractersticas observables de las clulas. Ambos son mtodos de clasificacin y suministran diferentes clases de informacin. Un rbol filogentico (Figura 1.1) muestra las relaciones evolutivas entre varias especies u otras entidades que se cree tuvieron una descendencia comn. Cada rama representa un descendente del nodo o antecesor. Cada nodo se denomina unidad taxonmica. Adems de las diferencias filogenticas, algunas caractersticas fenotpicas separan consistentemente tres categoras de organismos vivos: Bacteria, Archaea y Eukarya (Tabla 1.2).

Figura 1.1 Arbol de vida filogentico establecido de una secuencia de RNA ribosmico.

Tabla 1.2 Caractersticas diferenciales entre Bacteria, Archaea y Eukarya

CaractersticaBacteriaArchaeaEukarya

Ncleo incluido en membranaPared de clula (cido murmico)Membrana plasmtica

Fotosntesis basada en clorofilaMetanognesisReduccin de S a H2SNitrificacinDesnitrificacinFijacin de nitrgenoSntesis y almacenamiento de poli hidroxi alcanoato Sensibilidad a cloranfenicol, estreptomicina y kanamicinaSensibilidad de ribosomas a la toxina de difteriaAusente PresenteBicapaEnlaces sterSNoSSSS

S

SNoAusente AusenteMonocapaEnlaces terNoSSNoSS

S

NoSPresenteAusenteBicapaEnlaces sterSNoNoNoNoNo

No

NoS

Fuente: Rittman y McCarty, 2001

1.7 Algunos trabajos claves en Microbiologa

1664: Robert Hooke describi cuerpos fructferos de mohos creciendo sobre objetos de cuero. 1684: Antonie van Leeuwenhoek observ por primera vez a los microorganismos con detalles (microscopios muy simples). 1864: Louis Pasteur finaliz la controversia sobre la generacin espontnea (hiptesis de que los organismos vivos pueden originarse a partir de la materia inerte). 1866: Ferdinand Cohn, estudi la bactera oxidante del azufre Beggiatoa y el bacilo esporulante Bacillus. 1876: Roberto Koch enunci la teora microbiana del origen de las enfermedades infecciosas. 1882: Roberto Koch, etiologa de la tuberculosis. 1884: Postulados de Koch, demostraron que un determinado microorganismo causa una determinada enfermedad (Figura 2).1. El microorganismo patgeno sospechoso debe estar presente en todos los casos de la enfermedad y ausente en animales sanos.2. El microorganismo sospechoso debe ser cultivado en forma pura fuera del cuerpo del animal (en laboratorio).3. El microorganismo obtenido por cultivo en el laboratorio el ser inoculado en animales sano debe causar enfermedad.4. El microorganismo debe ser reaislado de los animales inoculados experimentalmente y al ser cultivado en el laboratorio debe tener las mismas caractersticas que el microorganismo original. 1884: Christian Gram, tincin de Gram. 1887: Richard Petri, placas de Petri. 1889: Martinus Beijerinck, concepto de virus. 1929: Alexander Fleming, penicilina. 1953: James Watson, Francis Crick y Rosalind Franklin, estructura del ADN. 1966: Marshall Nirenberg y Gobind Khorana, descubrimiento del cdigo gentico. 1967: Thomas Brock, descubrimiento de bacterias capaces de crecer en fuentes termales con agua en ebullicin. 1973: Stanley Cohen, Annie Chang, Robert Helling, Herbert Boyer, DNA recombinante. 1979: Sntesis de insulina por tcnica de ADN recombinante. 1983: Luis Montagnier, VIH como causa del Sida. 1988: Kary Mullis, reaccin en cadena de la polimerasa (PCR). 1995: Craig Venter y Hamilton Smith, secuenciacin del genoma de Haemophylus influenzae. 1999: The Institute for Genomic Research (TIGR) y otros, ms de 100 genomas secuenciados total o parcialmente.

Figura 1.2 Los postulados de Koch (Fuente: Madigan et al., 2004).

1.8 El inicio de la genmica microbiana y la postgenmicaEn julio de 1995, J. Craig Venter y Hamilton O. Smith, de la compaa Celera Genomics, y Claire M. Fraser del Institut for Genomic Research (TIRG), publicaron la primera secuencia completa del cromosoma de un microorganismo: Haemophilus influenzae cepa Rd. Este hecho marc un hito en la historia del estudio de los microorganismos. El grupo de Fraser continu con la secuencia del genoma de Mycoplasma genitalium, bacteria que tiene el genoma ms pequeo de las especies conocidas. Les interesaba conocer el nmero y calidad de genes esenciales de la clula. Posteriormente continuaron con el genoma de Methanococcus jannaschii, una extraordinaria arqueobacteria aislada de las costas de Mxico a 2 600 metros de profundidad, a 200 atmsferas de presin, que crece a 85 C, y es capaz de transformar el dixido de carbono0, CO2, a metano y generar la energa para su metabolismo. La secuencia revel que alrededor del 50 % de genes no se relacionan con secuencias previas, sugiriendo que codifican para mecanismos fisiolgicos inexplorados. Ese mismo ao la secuencia del genoma de Saccharomyces cerevisiae, el primer eucariota se complet, encontrndose aproximadamente 6 000 genes y al menos 2 000 de funcin desconocida.A raz de la consolidacin del programa gentico en los ltimos aos (genmica o estudio del genoma), la postgenmica es el punto de partida para las investigaciones en el futuro. Al estudio del transcriptoma (el repertorio de las molculas de RNA mensajero que se expresan) y el proteoma (el anlisis de las protenas y su condicin, ya sea normal o patolgica), se le ha llamado comnmente postgenmica. El conocimiento de los genomas de los microorganismos facilitar la tarea de su estudio; sin embargo, su conocimiento no reemplaza la necesidad de conocer las funciones que realizan en la clula. El nmero de genes importantes sin caracterizar subraya el hecho de que contar con el genoma de un microorganismo es justo el punto de inicio para su comprensin y estudio. Por lo tanto, el gran reto para el futuro es definir las funciones de las protenas del genoma y descifrar las redes funcionales de regulacin.

Los datos aportados actualmente indican que un microorganismo puede contener alrededor de 1 000 a 5 000 genes, de los cuales 20-70% son consideradas protenas putativas que son descritas como de funcin desconocida. Algunas de la protenas reguladoras pueden tener una docena de funciones celulares que pueden variar de una clula microbiana a otra; adems, una protena puede contener varios dominios funcionales lo cual complica el anlisis estructura-funcin. Desde luego, la genmica es slo el primer paso para discernir los procesos fundamentales que gobiernan la vida. El gran reto en el futuro es definir la funcin de las protenas codificadas por el genoma, incluyendo el gran nmero de nuevas protenas de funcin desconocida, y descifrar las redes funcionales de los genomas. Integrar los resultados de los esfuerzos de secuenciacin con la informacin existente y con una base de datos bien desarrollada producir un panorama amplio del metabolismo celular y de la funcin gentica.La tecnologa, por s misma, no proporciona un entendimiento sustantivo del universo microbiano. Vivimos la edad de la informacin, con excesivos genes, secuencias, reacciones, y datos, los cuales debemos de integrar para lo cual es necesario desarrollar rpidamente la bioinformtica necesaria para organizarla. La ecologa microbiana necesita de proyectos para cultivar nuevos microorganismos, describir la composicin y dinmica de las comunidades microbianas, hacer la metagenmica a gran escala y sin fines comerciales; estudiar la expresin de los genes y las interacciones in situ, crear las bases de datos y herramientas informticas necesarias para poder interpretar el enorme flujo de datos que se est generando; por lo que ser indispensable incorporar cientficos en computacin y bioinformtica, con amplios conocimientos en biologa molecular. Este es el reto al que se enfrentan los microbilogos del siglo XXI.1.9 Referencias bibliogrficasBaca, E. (2010). La Microbiologa. De sus inicios a la genmica. Recuperado de http://www.elementos.buap.mx/num49/htm/3.htmMadigan, M.; Martinko, J. & Parker, J. (2004). Brock. Biologa de los Microorganismos (10 ed.) Madrid, Espaa: Pearson Educacin, S.A.Rittman, B. & McCarty. P. (2001). Biotecnologa del Medioambiente, Principios y Aplicaciones. Espaa: McGraw Hill Interamericana. Prescott, L, Harley J., & Klein, D. (1999). Microbiologa. Espaa: McGraw Hill Interamericana.