Capítulo 03: Fundamentos biotecnológicos: microorganismos.

3.1 Microorganismos.

Los microorganismos muestran una diversidad sorprendente de estructura y modos de vida. Algunos son procariontes, como las bacterias; otros son eucariontes, como los protozoarios, las algas y los hongos. Las formas libres colonizan todos los ambientes terrestres, desde la cima de las montañas hasta las profundidades de los océanos. Los parásitos crecen a costa de otros seres vivos y dependen enteramente de ellos para su abrigo y alimento. Otros, en cambio, solo dependen parcialmente y en diversos grados de otros organismos vivos.

Los aerobios crecen si hay oxígeno, los anaerobios si no lo hay. Los autótrofos sintetizan sus alimentos a partir de dióxido de carbono; los fotosintéticos utilizan la luz como fuente de energía y los quimiosintéticos usan algunas reacciones químicas inorgánicas. Los heterótrofos absorben o ingieren las moléculas orgánicas elaboradas por los autótrofos, de los cuales dependen.

Los microorganismos son demasiado pequeños para poder estudiarlos a simple vista. Constituyen un grupo extraordinario, muchos de ellos con una historia evolutiva muy larga. Muestran una gran capacidad de adaptación a los cambios del entorno y pueden lograr increíbles proezas bioquímicas, a pesar de su tamaño.


3.2 Clasificación de los microorganismos.

La microbiología estudia un conjunto heterogéneo de microorganismos que tienen en común su tamaño microscópico. Estos seres que viven como células independientes o como agregados celulares se pueden clasificar como bacterias, protozoarios, algas, hongos y, también, virus. Encontramos microorganismos en los tres dominios de la clasificación de los seres vivos (Bacteria, Archaea y Eukarya). La excepción son los virus, en la frontera entre lo vivo y lo no vivo.


3.2.1 Las bacterias.

Las bacterias son organismos unicelulares microscópicos, sin núcleo ni clorofila, que pueden presentarse desnudas o con una cápsula, aisladas o en grupos y que pueden tener cilios o flagelos. Son organismos unicelulares procariontes recubiertos por una pared celular que los protege. Además del ADN cromosómico pueden tener moléculas circulares extras de ADN, denominadas plásmidos.

En condiciones favorables de humedad, acidez y temperatura, las bacterias se multiplican rápidamente por fisión celular (o binaria) produciendo millones de células en pocas horas. En una de sus acepciones, la palabra “clon” se aplica a las células que derivan de una única célula. Sin embargo, algunas especies bacterianas también pueden reproducirse en forma sexuada, posibilitando la recombinación del material genético.

Estas se suelen dividir en dos grupos:


a. Eubacterias.

Las eubacterias forman un grupo con más de 5.000 especies conocidas. Pequeñas (0,0005-0,005 mm) y de formas diversas (esféricas, en bastones, helicoidales), se las puede encontrar solitarias, de a pares, en cadenas o formando agregados. Algunas se mueven libremente mediante uno o más flagelos distribuidos en la superficie celular, otras se adhieren mediante pili (pelos) o fimbrias a un organismo hospedador.

En condiciones desfavorables, estos organismos forman esporas que sobreviven en forma latente hasta que las condiciones ambientales se vuelvan favorables y puedan germinar, retomando su actividad fisiológica. Un ejemplo interesante, en Europa del siglo XIX, es el de la existencia de ciertos “campos malditos”, donde las ovejas no debían pastar ni transitar, debido al alto riesgo de contraer carbunco o ántrax. De hecho, los bacilos presentes en los animales muertos por la enfermedad y enterrados en esos campos formaban esporas que, al ser llevadas a la superficie por las lombrices, contaminaban los pastizales.

La técnica de laboratorio conocida como coloración de Gram permite diferenciar a las bacterias por la estructura de la pared celular. Esta técnica permite dividirlas en dos tipos:

  • Eubacterias Gram positivas: cuya pared celular es más simple, encontramos géneros como Clostridium, Bacillus, Mycobacterium (con algunas especies que causan la tuberculosis y la lepra) y los actinomicetes, como Streptomyces,productora de antibióticos como la estreptomicina.

  • Eubacterias Gram negativas: que tienen una pared celular más compleja. Aquí encontramos a las micoplasmas, Escherichia coli (colonizadora del tracto digestivo de muchos organismos), Salmonella (agente causal de muchas intoxicaciones alimentarias), las cianobacterias fotosintéticas, las espiroquetas (Treponema pallidum y Borrelia burgdorferi, que causan la sífilis y la enfermedad de Lyme, respectivamente) y las clamidias (responsables de infecciones genitales, tracomas y uretritis).

Se estima que las bacterias son responsables de aproximadamente la mitad de las enfermedades humanas. Las Gram negativas resultan más difíciles de tratar que las Gram positivas, debido a la protección dada por una capa adicional en la pared celular, que dificulta la entrada de antibióticos.


b. Las arquibacterias.

Las arquibacterias difieren de las eubacterias en la estructura de la pared celular y en algunas características metabólicas relacionadas con la síntesis de proteínas, que las aproximan a los eucariontes.

Algunas viven en hábitats inhóspitos, como las solfataras de los volcanes o los géiseres en Islandia y Costa Rica, donde las temperaturas superan los 60-80 °C. Otras prosperan en lagos donde la concentración salina es altísima, como el Gran Lago Salado (Estados Unidos) o el Mar Muerto (Israel). Existen también entre las arquibacterias algunos géneros con vías metabólicas peculiares, dependientes del azufre o productoras de metano. Debido a estas propiedades, en los últimos años se ha acelerado la prospección de arquibacterias con propiedades potencialmente interesantes, para ser empleadas en procesos industriales que exijan condiciones ambientales extremas. Sin embargo, estudios recientes de ecología molecular muestran que las arquibacterias no se limitan a ambientes extremos, y que su diversidad sería mucho mayor que lo previsto.


3.2.2 Los protozoarios.

Los protozoarios se clasifican en el reino Protista, un grupo mal definido de seres eucariontes que pueden ser unicelulares o pluricelulares, autótrofos o heterótrofos, de reproducción sexual o asexual. Los protozoarios, en particular, son unicelulares y heterótrofos, con un tamaño que varía entre 0,002 y 1 mm. Algunos viven libres en ambientes marinos, de agua dulce, o simplemente lugares muy húmedos.

Otros parasitan a otras especies causándoles enfermedades, como la ameba, Giardia lamblia, que puede vivir en el intestino delgado humano y provoca una patología denominada giardiosis. La Amoeba o Ameba se caracteriza por su forma cambiante, alimentándose de organismos más pequeños o de partículas en descomposición. Estas pueden vivir de forma parásita en el intestino humano, sin provocar patologías graves.


Figura 1: Protozoario Naegleria fowleri


Debido a la importancia fundamental que tienen para el ser humano desde el punto de vista médico, la caracterización molecular de estos protozoarios puede dar origen a pruebas de diagnóstico y vacunas.

Naegleria fowleri

Es un ameboflagelado aeróbico de vida libre patogénica típica de aguas dulces templadas y estancadas como lagos, lagunas, estanques, piscinas, aguas termales y canales de riego. Se alimenta de bacteria, principalmente Escherichia coli (E. coli).

Es un parásito facultativo, que puede sobrevivir tanto fuera como dentro de un huésped, que puede producir la enfermedad meningoencefalitis amebiana en los seres humanos, por lo cual se la conoce coloquialmente como ameba comecerebros.

El protozoo se transmite a las personas que se bañan en aguas contaminadas: lagos, piscinas, embalses, corrientes termales, manantiales. En algunos casos, la ameba puede penetrar a través de la lámina cribosa del etmoides y alcanzar el cerebro y las meninges, causando graves cuadros de necrosis e inflamación.

Observaciones experimentales inducen a pensar que la infección por Naegleria se contrae por penetración de los microorganismos a través de la nariz o a través del neuroepitelio olfatorio. Naegleria se ha mostrado resistente al agua poco clorada; de allí el riesgo de infección en las piscinas.

3.2.3 Las algas.

Clasificadas en el reino Protista junto con los protozoarios, las algas son organismos uni o pluricelulares, autótrofos y acuáticos. Situadas en la base de las cadenas alimenticias acuáticas, las algas cumplen un papel fundamental en la biosfera, porque son capaces de fijar gas carbónico y producir oxígeno. Algunas participan en la formación de suelos y en la fijación de nitrógeno.

Las macroalgas marinas (algas pardas, algas rojas y parte de las algas verdes) forman filamentos y talos que pueden llegar a medir más de treinta metros, a pesar de no tener órganos diferenciados. Son utilizadas en la alimentación humana (Porphyra o nori; Laminaria, como el kombu, en Oriente y el cochayuyo en Chile) y, también, como abono.

Debido a su capacidad de formar geles y emulsiones, los ficocoloides extraídos de las algas (agar, carragenina, alginato) se emplean en los laboratorios de investigación y de análisis clínicos para la preparación de medios para el cultivo de bacterias y hongos. También se los usa en varias industrias, tales como la alimentaria (helados, cremas, jaleas, etc.), la farmacéutica (laxantes, cápsulas de remedios) y la cosmética (cremas, jabones, champúes, dentífricos, etcétera).

Las microalgas representan a un grupo extremadamente diverso de unas 25.000 especies, de las cuales solo un pequeño grupo está bien estudiado. Este grupo comprende aproximadamente cincuenta especies de microorganismos fotosintéticos, tanto eucariontes (diatomeas, dinoflagelados, euglenoides y otras algas verdes) como procariontes (cianobacterias, antes llamadas algas azul-verdosas). La proliferación de microalgas como floraciones en la naturaleza (mareas rojas) o en reservorios, generalmente debida a la eutrofización de las aguas, puede causar la muerte de otros organismos y es muy peligrosa cuando se acompaña de la liberación de toxinas. Pero no siempre es así. La incorporación de microalgas en los tanques en algunos sistemas de tratamiento de efluentes permite remover nutrientes inorgánicos y adicionar oxígeno al proceso. También se usan como indicadores de polución.


3.2.4 Los hongos.

El reino Fungi comprende más de 100.000 especies. Los hongos son organismos eucariontes, uni o pluricelulares, con una pared celular formada por quitina. Todos son heterótrofos y pueden reproducirse en forma sexual o asexual. Tienen gran importancia como agentes biológicos. Las levaduras son hongos unicelulares que se desarrollan en lugares húmedos y se reproducen por brotación. A este grupo pertenece uno de los microorganismos de mayor importancia económica: Saccharomyces cerevisiae, la popular levadura de cerveza (o simplemente levadura) utilizada tradicionalmente en la preparación de alimentos y bebidas, así como en la producción de etanol, vitaminas y otros metabolitos. También se la emplea, modificada por ingeniería genética, para producir una vacuna contra la hepatitis B. Sin embargo, no todas las levaduras son benéficas. Candida albicans, por ejemplo, es un microorganismo oportunista de la flora normal humana que, en ciertas condiciones, puede proliferar de manera anormal tornándose patogénica.

En los mohos, las células forman una maraña de filamentos o hifas, denominada micelio. Los mohos crecen rápidamente por fragmentación del micelio y se diseminan mediante esporas, como Aspergillus niger, un productor de ácido cítrico; o como Rhizopus, el moho negro del pan, que se expande sobre su superficie a pesar de los conservantes que se agregan; o como Aspergillus flavus, un moho que crece en las semillas de leguminosas (maní, poroto, soja) produciendo una toxina poderosa, la aflatoxina, que causa graves intoxicaciones.

En este grupo también se encuentra Penicillium, un género que cuenta con diversas especies, una de las cuales es empleada en la industria farmacéutica para la producción de penicilina, y otras en la industria de alimentos, para la maduración de quesos como el roquefort, el gorgonzola y el camembert.

Las setas son los cuerpos reproductivos de muchos hongos. Algunos son venenosos, como los Amanita, y otros producen alucinógenos, como la psilobicina, usada por grupos nativos mexicanos en rituales religiosos, o la ergotamina, sintetizada químicamente en el siglo XX con el nombre de LSD (ácido lisérgico). Pero también hay setas comestibles, como los géneros Agaricus (champignon), Shiitake y Pleurotus, que son cultivados y comercializados por el hombre.

Los hongos destruyen en el campo un cuarto de la cosecha de frutas y verduras. Enfermedades como la roya del café, la fusariosis del trigo y el ergot del centeno afectan seriamente a la agricultura. En la Irlanda del siglo XIX, el hongo Phytophtora infestans atacó a los cultivos de papa, destruyendo una fuente básica de alimentación. La enfermedad causó un millón de muertes y la emigración forzada de buena parte de la población.

Los líquenes resultan de la simbiosis entre un hongo y un alga. Algunos son comestibles y se cree que el líquen Lecanora esculenta era el maná mencionado en la Biblia. El grupo no ha sido muy explotado económicamente, a pesar de habérsele encontrado aplicaciones como colorante (tintura de tornasol, un indicador de pH), tintura para telas y como fijador en la industria de perfumes. También son indicadores de polución (monitoreo biológico).

Por su parte las micorrizas, otra asociación, esta vez entre un hongo filamentoso y las raíces de las plantas vasculares, ocupan un lugar destacado en la agricultura en suelos tropicales al facilitar la solubilización de los fosfatos.


3.2.5 Los virus.

Los virus son partículas inertes sin ninguna actividad metabólica, en el límite entre lo “vivo” y lo “no vivo”. Los menores miden 20 nanómetros (1 nm = 10-4 mm). Pueden atravesar filtros extremadamente finos y cristalizar. Su estructura es muy simple: un ácido nucleico (ADN o ARN, como cadena simple o doble) dentro de una cubierta proteica o cápside. Muchos poseen enzimas que serán liberadas dentro de la célula hospedadora.

Como parásitos obligados de bacterias, plantas o animales, al infectar una célula viva pasan a usarla para su propia reproducción. Algunos se integran al genoma de la célula infectada (bacteriófagos, retrovirus), y son utilizados actualmente como vectores para introducir genes en una célula hospedadora.

Entre los virus que causan enfermedades humanas encontramos el poliovirus, el VIH, el coronavirus responsable del SAR (síndrome agudo respiratorio), etc. Algunos infectan a las células animales normales y las transforman en células cancerosas.

Los virus que infectan insectos pueden emplearse en el control de plagas. El Baculovirus, por ejemplo, evita la aplicación de 1,2 millones de litros de insecticidas por año en los campos de soja brasileños atacados por la oruga de las leguminosas.


3.2 Importancia ecológica de los microorganismos.

Los microbios, como a veces se les denomina, existen en grandes cantidades, en un número tal que es demasiado alto como para considerarlo. Se encuentran en la biosfera, a nuestro alrededor, en nuestro interior y en el medio ambiente en general; prácticamente en todas partes, incluso en algunos de los ambientes más hostiles e inverosímiles (microorganismos extremófilos). Existen muchas más especies diferentes de microorganismos que de todas las demás formas de vida.

Esta diversidad de hábitats de los microorganismos, les otorga una variedad importante de funciones ecológicas. Para el biotecnólogo, esto representa un sinfín de posibilidades, pues cada nicho genera la posibilidad de crear nuevos productos. Si tomamos en cuenta las relaciones interespecíficas e intra específicas, los microorganismos presentan:

  • Simbiosis: Relación entre dos organismos de diferente especie en la que ambos se benefician.

  • Parasitismo: Asociación en la que un organismo (parásito) vive sobre (ectoparásito) o dentro (endoparásito) de otro organismo (huésped) del que obtiene sus nutrientes y al que perjudica.

  • Saprofito: Organismo que vive sobre materia orgánica en descomposición.

  • Oportunista: Organismos con un amplio margen de tolerancia a los factores ambientales por lo que se adaptan rápidamente a nuevas condiciones y son los primeros en colonizar un ecosistema.

  • Patógeno: Cualquier microorganismo causante de una enfermedad.

La mayoría de los microorganismos participación en el reciclado de los elementos es fundamental desde el punto de vista ecológico, posibilitando el tratamiento de residuos y de aguas servidas, la eliminación de compuestos contaminantes (biorremediación) y la extracción de minerales (biolixiviación). También hay microorganismos que fijan nitrógeno al suelo o producen toxinas pesticidas, contribuyendo a la mejora de las prácticas agrícolas.


3.3 Utilidad de los microorganismos.

Aunque ya sean mencionado algunas utilidades de estos seres vivos, debemos tomar en cuenta que las aplicaciones biotecnológicas siguen en aumento. Esto es así porque estos organismos:

  • Son pequeños y se reproducen a un ritmo rápido.

  • Pueden ser cultivados de manera económica, en fermentadores, durante todo el año, en lugar de limitarse a una corta estación de crecimiento, como en el caso de los cultivos convencionales.

  • Pueden cultivarse en medios sólidos o líquidos; en algunos casos los mismos medios de cultivo son un subproducto o un residuo producido por otro proceso industrial.

  • Tienden a producir grandes cantidades de producto (subproductos, metabolitos o enzimas) en relación a su masa celular.

  • En el caso de los extremófilos, tienen enzimas que están adaptadas para funcionar bajo condiciones inusuales (por ejemplo, a temperaturas o pH extremos).

  • Pueden ser modificados genéticamente con relativa facilidad (por ejemplo, para producir insulina humana)


Preguntas y Actividades.


Resuelva cada una de las siguientes preguntas u actividades para reforzar su conocimiento.

1. ¿Cuál es la organización estructural básica de un microorganismo procarionte y uno eucarionte?

2. ¿Por qué son útiles los microorganismos? Mencione un ejemplo de sus beneficios.

3. ¿A qué crees tú que se debe la gran diversidad de microorganismos eucariontes existentes en la biosfera actual?

4. ¿En qué consiste la biorremediación?

5. Cita algunos productos de la industria de la alimentación que se obtengan por medio de la acción de microorganismos fermentadores.

Actividad. Realice un ensayo sobre los virus, tomando en cuenta las siguientes preguntas.

· Comente las principales modalidades de penetración de los virus en las células a las que parasitan.

· ¿A qué llamamos bacteriófagos?

· ¿Por qué decimos que los virus son parásitos intracelulares obligados?

· ¿Cómo pueden reproducirse los virus cuando carecen de maquinaria bioquímica?

Laboratorio 02: Cultivo de microorganismos.

1. Criterio de evaluación. Aprende a utilizar correctamente algunas herramientas biotecnológicas en el laboratorio. 2. Materiales.

Microscopio electrónico Agar-agar Caja Petri Erlenmeyer Algodón Papel aluminio Pipeta Asa de platino Muestra de hongo


3. Procedimiento.

Parte a: Preparación del medio de cultivo.

· Disuelva 2 g de agar-agar en 125 ml de agua destilada. Utilice un erlenmeyer para preparar la mezcla.

· Luego agite la mezcla para disolver y caliéntela hasta la ebullición del mismo agitando de vez en cuando, para asegurar una completa disolución del agar-agar.

· Vierta la mezcla una caja Petri y deje enfriar tapando el erlenmeyer con un algodón y papel de aluminio. Anote todo lo que observa.

Parte b: Siembra de hongo.

· Utilice el asa de platino e introdúzcalo en la muestra.

· Siembre la muestra, en la placa de agar-agar, pasando el asa contaminado formando estrías sobre la placa. Caliente la placa a 27 °C, durante 48 h, para favorecer el cultivo. Anote todo lo que observa.

Imágenes y Vídeo del Laboratorio 02






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