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Autor: GEORGES DREYFUS CORTÉS COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS PRÓLOGO I. LOS PRINCIPIOS DE LA MICROBIOLOGÍA II. METABOLISMO BACTERIANO III. LAS BACTERIAS Y LA HISTORIA DE LA TIERRA IV. LOS MICROBIOS AL SERVICIO DEL HOMBRE CONTRAPORTADA
C O M I T É Comité de Selección: Dr. Antonio Alonso Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo García-Colín Dr. Tomás Garza Dr. Gonzalo Halffter Dr. Guillermo Haro
Dr. Jaime Martuscelli Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan José Rivaud Dr. Emilio Rosenblueth
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Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Coordinadora Fundadora: Física Alejandra Jaidar
Coordinadora: María del Carmen Farías
E D I C I O N E S Primera edición, 1987 Quinta reimpresión, 1996 La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. D. R. © 1987, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S. A. DE C. V. D. R. © 1995, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 México, D.F. ISBN 968-16-2703-2 Impreso en México
D E D I C A T O R I A Si de todo todoss los los orga rganism nismos os crea cread dos por Dios Dios los los más más pequeños y aparentemente menos útiles fueran suprimidos, la vida se tornaría imposible, ya que el regreso a la atmósfera y al reino miner neral de todo lo que dejó ejó de vivir sería bruscamente suprimido. LOUIS PASTEUR
A G R A D E C I M I E N T O S Quiero agradecer la paciente ayuda de Nora Vázquez Laslop, Francisco Mariscal y María del Carmen Farías en la preparación del texto. También agradezco a la señora Guadalupe Ramí Ra míre rez, z, quie quien n meca mecano nogr graf afió ió una una y otra otra ve vezz el manu manusc scri rito to,, y al pers person onal al de mi laboratorio, por su constante interés. Las microfotografías se deben al doctor Alfonso
Cárabez y al señor Jorge Sepúlveda de la Unidad de Microscopía Electrónica de este Instituto.
P R Ó L O G O La idea básica de este libro es la de describir en términos sencillos el desarrollo de algunas áreas del conocimiento sobre los microorganismos. No ha sido mi intención abarcar todos los aspectos que un tema como éste presenta, sino sólo aquellos que, en mi opinión, interesan a un lector ajeno a la microbiología y, en general, a la ciencia. He trat tratad ado o que que su lect lectur uraa sea sea amen amenaa y flui fluida da por por eso eso ev evit itéé entr entrar ar en deta detalllles es sólo sólo interesantes para un especialista. Es innegable que la vida en nuestro planeta está sustentada en un frágil equilibrio ecológico. La materia que da origen a todas las formas de vida es utilizada a través de comp complilica cada dass cade cadena nass alim alimen enti tici cias as.. Dentr Dentro o de este este panor panoram amaa tien tienen en un pape papell muy muy importante los microbios, pequeñísimos seres que poseen las más diversas capacidades adaptativas y que ejercen una influencia determinante en el mantenimiento del equilibrio ecológico. Así Así pues pues,, este este libr libro o empi empiez ezaa descr describ ibie iend ndo o cómo cómo la huma humanid nidad ad se dio dio cuent cuentaa de la exist ex istenc encia ia de los micr microo oorg rgan anis ismo mos, s, lo que que le perm permit itió ió ex expl plic icar ar la causa causa de algun algunas as enfermedad enfermedades, es, hasta el grado grado en que se creó una ciencia encargada de su estudio. estudio. Estos pequeños organismos han facilitado el desarrollo del conocimiento sobre los aspectos bioquímicos de la vida. Veremos en las páginas siguientes cómo los microorganismos se adap adapta taro ron n a dive divers rsos os ambi ambien ente tes, s, tan tan ex extr trem emos os algu alguno noss que que seme semeja jan, n, quiz quizá, á, las las condiciones que prevalecían en nuestro planeta hace millones de años; y cómo han constituido una ayuda invaluable en el estudio de los orígenes de la vida en nuestro planeta. Gran Gran part partee de los los micr microor oorga gani nism smos os no es nociv nocivaa para para el hombr hombre, e, al contr contrar ario io,, es prometedora para la industria en el campo de la obtención de diversas sustancias y en la conservación conservación del medio ambiente, ambiente, mediante el control de la contaminación contaminación de la tierra tierra y las aguas. La curiosidad científica, que aparentemente no conduce a nada, ha sido sin duda la que ha permitido al género humano poseer el conocimiento actual sobre la naturaleza. Este conocimiento, generado por el quehacer de la ciencia, ha permitido obtener resultados que han modificado la historia y el curso de la humanidad. Ciudad Universitaria, México D. F., mayo de 1987
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EL MUNDO de los microbios o microorganismos es quizá tan vasto como el Universo y, para dar un pequeño ejemplo, un puñado de tierra contiene tantos microorganismos como seres humanos el planeta entero. Esto representó un gran obstáculo para su estudio, ya que existía la dificultad de tener que separar un microorganismo de los demás. Y, de cualquier forma, si se lograra separar dicho microorganismo, ¿cómo se mantendría aislado
de sus similares? La labor y el esfuerzo combinados de muchos hombres y mujeres de ciencia, a lo largo de unos 200 años de historia, dio como resultado el surgimiento de la microbiología, la ciencia que estudia estos pequeños seres de la naturaleza. Los métodos mediante los cuales ha sido posible separar a los microorganismos de sus alrededores, pueden pueden ser descritos descritos en orden de aparición, aparición, ya que los problemas problemas que surgen surgen durante durante el desa desarr rroll ollo o de una una cienc ciencia ia ex expe peri rimen menta tall sólo sólo pued pueden en ser comp compre rend ndid idos os a la luz luz del del conocimiento que prevalecía en su tiempo. I.1 LAS PRIMERAS IDEAS La teoría de la generación espontanea. La creencia de que existían seres tan pequeños que eran invisibles se remonta a tiempos tan lejanos como antes de la Era Cristiana. Doscientos años antes de ella, Varro ya proponía la posibilidad del contagio de ciertas enfermedades debido a criaturas invisibles suspendidas en el aire, y esta idea ya era compartida por los antiguos médicos latinos y árabes.
Figura 1. Foto de una bacteria, la Escherichia coli
Lucrecio fue conocido por su punto de vista peculiar sobre la materia, ya que pensaba que las cosas surgían de una especie de átomo o semilla. En su obra De Rerum Natura (75 a. C.) sugiere que las plagas eran causadas por una especie de átomo. Y en el libro VI dice: "Así como hay semillas benéficas para nuestra vida, seguramente existen otras que causan causan enfermedad y muerte," Este punto de vista puede ser considerado considerado como un claro ejem ejempl plo o de que que se intuí intuíaa ya que que la natu natura ralez lezaa de la infecc infecció ión n era era micr microbi obian ana. a. Sin Sin embargo, estas semillas no se consideraban como organismos vivientes. Por otra parte, prevalecía la idea de que las cosas emergían de semillas y que sólo la combinación de varias de ellas podría dar origen a un organismo completo. Así pues, existía la duda sobre el origen de la primera semilla. De alguna forma esta primera semilla se había generado espontáneamente, es decir que podían aparecer organismos vivientes a partir de materia no viviente. A esta corriente de pensamiento se le conoció como la teoría de la generación espontánea y persistió por más de 1 500 años.
El contagio de las enfermedades. La epidemiología es la rama de la medicina que estudia la propagación de las enfermedades y se inició mucho antes de que se aplicara el término "enfermedad contagiosa" por los aún desconocidos agentes causantes de las infecciones. En la Antigüedad, los hebreos consideraban a las enfermedades infecciosas como un castigo proveniente del Señor. Sin embargo, los escritos bíblicos ya indicaban que las personas con lepra debían ser aisladas y los artículos y materiales que se utilizaban durante su enfermedad, enterrados o quemados. Más tarde, Lucrecio y Boccaccio reconocieron la naturaleza contagiosa de estos brotes epidémicos y, por fin, en 1546, Fracastorius de Verona presentó su obra titulada De Contagione. Este libro fundó la ciencia de la epidemiología propiamente dicha. Después de estudiar cuidadosamente la epidemiología de varias enfermedades, incluyendo la plaga y la sífilis, Fracastorius concluyó que la transmisión se producía de persona a persona, directamente o bien por medio de objetos de uso común. Más tarde otros, y él mismo, mezclaban las teorías racionales con otras ideas basadas en la superstición. Por ejemplo, pensaban que las plagas o epidemias eran gobernadas por fuerzas sobrenaturales. Como resultado de esta confusión, casi un siglo después médicos prominentes como William Harvey no tomaban en serio las ideas de Fracastorius y se adhirieron a las ideas de Hipócrates y Galeno que consideraban que las epidemias o vapores venenosos eran gener generad ados os por por conj conjunc uncio iones nes plan planet etar aria iass o por por alter alterac acio iones nes en la prop propia ia Tier Tierra ra.. El panorama era aún más complicado si se toma en cuenta que las enfermedades pueden ser transmitidas de distintas maneras, como puede ser por el agua, la comida o los insectos y que en muchas ocasiones estas formas de transmisión no son tan obvias. Las ideas de Lucrecio sobre la naturaleza de la materia fueron resucitadas por Giordano Bruno,al Bruno,al final del siglo XVI, e influenciaron influenciaron profundament profundamentee a Robert Boyle. Sin embargo, embargo, el simple razonamiento sobre la existencia de los microbios no constituyó la prueba de su verdadera existencia. Ésta sólo pudo ser demostrada gracias al descubrimiento de una lente de aumento. I.2 LAS PRIMERAS OBSERVACIONES El microscopio abrió las puertas de otro universo. El holandés Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) fabricó la primera lente lo suficientemente poderosa como para observar a los organismos unicelulares. Utilizó una lente convexa y colocó al objeto dentro de la distan distancia cia focal focal (Figur (Figuraa 2). Este Este arreglo arreglo produce produce una imagen imagen virtua virtuall o aparen aparente te muy amplificada; con este rudimentario pero ingenioso microscopio logró observar muchos "pequeños animalillos". Éstos incluían protozoarios, tanto de vida libre como parásitos de las las vísc víscer eras as de algu alguno noss anim animal ales; es; tamb tambié ién n logr logró ó obse observ rvar ar hong hongos os fila filame ment ntoso ososs y corp corpús úscul culos os glob globula ulares res que que ahor ahoraa conoc conocemo emoss como como levad levadur uras as.. Hizo Hizo impo import rtan ante tess observaciones sobre la estructura de las plantas y descubrió los espermatozoides de algunos animales. Fue hasta 1676 que pudo observar organismos aún más pequeños, como las bacterias.
Figura 2. Diagrama del microscopio utilizado por Leewenhoeck. El objeto "O" se coloca dentro de la distancia focal "F" y esto da por resultado una imagen virtual virtual "T" muy amplificada.
Por Por otra otra part parte, e, el micr micros oscop copio io compu compuest esto, o, capa capazz de ampl amplia iarr la imag imagen en con mayo mayorr eficiencia eficiencia y más conveniente conveniente para su uso, fue inventado en 1590 por Zacharías Jensen y usado en 1630 por F. Stellerti para estudiar la miel de abeja y los escarabajos. Sin embargo, todos los modelos producidos hasta antes de 1800 no poseían la resolución y la calidad de los microscopios de un solo lente. Las observaciones de Leeuwenhoek llamaron mucho la atención, pero eso fue todo. Nadie en esta época trató de repetir o extender sus observaciones, ya que la alta calidad de sus lentes y su gran agudeza visual fueron factores determinantes para desalentar a cualquier competidor. competidor. A esto se debió el gran retraso retraso que sufrió el desarrollo desarrollo de microscopios microscopios más potentes. I.3 LA CONTROVERSIA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA ¿La vida proviene de la vida o existe la fuerza vital? La comprensión verdadera de la impo import rtanc ancia ia de los micr microor oorga ganis nismo moss en el mund mundo o comen comenzó zó como como resu result ltad ado o de la controversia sobre la generación de materia viviente a partir de la materia muerta. En un principio existían dos escuelas bien definidas de pensamiento: aquélla que tomando a Lucrecio al pie de la letra apoyaba la idea de que se podrían generar animales a partir de materia muerta gracias a la existencia de una "fuerza vital" (generación espontánea) y la que decía que la vida sólo se genera a partir de vida (en latín omne vivum ex vivo). Los antigu antiguos os que creían creían en la genera generación ción espont espontánea ánea daban recetas recetas para para prepa preparar rar "ratones" a partir de comida en putrefacción. Opuestas a este punto de vista eran las ideas de Redi, quien en 1668 mostró que la aparente generación espontánea de larvas en la carne provenía de la visita de las moscas que ponían huevecillos sobre ella. Sin embargo, Needham, otro investigador, hirvió extracto de carne en un frasco, lo tapó y encontró que después de algunos días aparecían criaturas que se movían. Esto, aunado a la idea de que los organismos vivientes morían al ser hervidos, llevó a pensar que dichos organismos eran realmente producto de la generación espontánea. Más tarde, Spallanzani llevó a cabo experimentos más cuidadosos con los que demostró que los organismos grandes eran destruidos al ser hervidos durante 30 segundos, pero los micr microo oorg rgan anis ismo moss sobr sobrev eviv ivía ían n y se desa desarr rrol olla laba ban n aunq aunque ue los los fras frasco coss estu estuvi vier eran an herméticamente cerrados. Después de muchos ensayos, encontró que si hervía los frascos parcialmente cerrados durante 45 minutos, el contenido se mantenía sin contaminarse casi indefinidamente, y sólo si se permitía la entrada de aire, el contenido entraba en
putrefacci putrefacción ón rápidamente. rápidamente. Estos resultados llevaron a pensar que, al hervir el contenido, contenido, el aire del frasco se hacía inadecuado para la existencia de vida en su interior y esto era interpretado como la ausencia de la "fuerza vital". Un cocinero francés, llamado Francois Appert, a principios del siglo XIX desarrolló el arte de preservar comida en frascos sellados: lo lograba hirviendo el contenido dentro del frasco y cerrándolo sin permitir la entrada de aire fresco. Observó que así el contenido se manten mantenía ía libre libre de microor microorgan ganism ismos os por tiempo tiempo indefi indefinid nido. o. Este Este hallaz hallazgo go lo llevó llevó no sola solame ment ntee a fund fundar ar una impo import rtaante nte indu indust stri ria, a, la de las las cons conser erva vas, s, sino sino a ser ser inmensamente rico. La objeción a los experimentos de Spallanzani de que al hervir el contenido de los frascos se terminaba con la "fuerza vital" fue descartada por un experimento de Schultze en 1836. Éste consistió en que el recipiente recipiente que contenía contenía extracto de carne fue conectado conectado a otros dos recipientes, uno de los cuales contenía ácido sulfúrico y el otro potasa; a través de éstos se hizo pasar lentamente aire fresco todos los días durante tres meses y el extracto de carne no se contaminó. La clave del éxito de este experimento se debió a que las conexiones con ambos recipientes se hicieron inmediatamente después de hervir el extracto de carne, lo cual evitó la contaminación del extracto. Theodor Schwann, en 1837, llevó a cabo un experimento similar, pero la diferencia consistió en que el aire fresco se hacía pasar por un recipiente que contenía un metal fundido en ebullición y de esta forma cualquier materia orgánica se mantenía estéril en el interior. Sin embargo, cuando se dejaba pasar aire fresco sin entrar en contacto con el metal fundido, el contenido se contaminaba invariablemente, con bacterias para el caso del extracto de carne y con levaduras para una solución con azúcar. La interpretación que dio Schwann a sus resultados fue la siguiente: "Los microorganismos que deben estar presentes en el aire son destruidos al hacer pasar el aire por un líquido incandescente. Por lo tanto, la putrefacción sin duda se debe al hecho de que estos gérmenes, al nutrirse y desarrollarse a costa de esta sustancia, la descomponen y sobreviene la putrefacción." Más tarde, la técnica de estos experimentos fue simplificada y en 1853 Schroeder y Von Dush descubrieron que, después de hervir el recipiente, bastaba con cerrar el extremo abierto con un tapón de algodón. De esta manera, el aire que entraba a través del algodón se filtraba al pasar por los múltiples y tortuosos caminos dentro del mismo. Estos experimentos abrieron el camino sobre el cual se basaron los métodos para cultivar bacterias. Dos postulados importantes se derivan de estos resultados: el primero consiste en hacer un medio de cultivo adecuado que esté libre de microorganismos y esto se logra hirviéndolo; hirviéndolo; el segundo consiste en mantener mantener el medio estéril por largo tiempo y esto se logra evitando la entrada de los microorganismos que están suspendidos en el aire. A pesar de estos avances, los resultados de Spallanzani, Schultze y Schwann no fueron aceptados por la mayoría del público científico de la época. Hoy en día sabemos que muchos microorganismos resisten temperaturas hasta de l00°C durante varias horas. Esto ayudó a los que pensaban que la generación espontánea era un hecho, ya que un solo experimento fallido era utilizado como evidencia para la existencia de esta teoría. Koch, más tarde, llevó a cabo estudios sobre el bacilo del ántrax ántrax y encontró encontró que las esporas de algunas bacterias eran altamente resistentes al calor y que sólo se destruían a l20°C o más, y eso al cabo de 20 minutos. Pasteur fue quien desechó la teoría de la generación espontánea. Fue el genio de Louis Pasteur Pasteur (1822-1 (1822-1895) 895) quien quien finalm finalmente ente persua persuadió dió al pensam pensamient iento o científ científico ico sobre sobre lo verdadero verdadero de la generalización generalización tan claramente claramente formulada formulada por Schwann Schwann en 1837. Pasteur Pasteur se va valilió ó de una comb combina inaci ción ón de habi habilid lidad ad cien cientí tífi fica ca,, pers persua uasi sión ón y un sent sentid ido o muy muy
particular del drama. Su experimento consistió básicamente en hervir infusiones en un aparato tal que, cuando el contenido se enfriaba, el aire que entraba era calentado y luego vuelto a enfriar al pasar por una camisa enfriada enfriada con agua. agua. Bajo estas condiciones condiciones la infusión se conservaba libre de contaminación. La figura 3 ilustra el aparato tal como fue diseñado por Pasteur. Sin embargo, el experimento más sorprendente fue aquel en el que Pasteur mostró cómo un medio nutritivo permanecía estéril aun cuando estuviera comunicado con el exterior. Para esto diseñó unos frascos especiales (Figura 4) en los que, como se puede ver, se permite la entrada de aire, pero no se contaminan porque en el primer doblez del cuello se retienen los posibles microbios contaminantes. Estos frascos se encuentran hoy en día tal y como los dejó este notable hombre de ciencia.
Figura 3. Experimento diseñado por Pasteur para demostrar que si el aire que entra al recipiente cuyo contenido hirvió es previamente calentado, el contenido no se contamina. El aire caliente se enfría con un trapo mojado antes de que éste llegue al caldo nutritivo.
Pasteur confirmó también los experimentos de Schroeder y Von Dusch, quienes hirvieron una infusión de carne y cerraron los frascos con tapones de algodón. Este experimento lo amplió amplió Pasteur Pasteur utiliz utilizand ando o tapones tapones de nitrat nitrato o de celulos celulosaa en lugar lugar de algodó algodón, n, para para después disolver el tapón en alcohol, de tal forma que los gérmenes atrapados en el tapón fueran liberados; después examinó el contenido del tapón bajo el microscopio y observó partículas globulares que semejaban esporas de hongos y bacterias. A pesar del éxito de los experimentos de Pasteur no siempre se lograba reproducirlos, y esto se debía principalmente a la resistencia de ciertas esporas o microbios a las altas temperaturas. Sin embargo, tal dificultad no pudo opacar el concepto general que Pasteur logró aclarar.
Figura 4. Botellas de cuello de ganso que Pasteur dejó como prueba de que la putrefacción proviene del crecimiento de microorganismos microorganismos y no de la generación espontán e spontánea. ea.
El físico Tindall estaba interesado en los fenómenos de la dispersión de la luz en el agua y en el aire (fenómeno que ahora se conoce como efecto Tindall) y sus observaciones se apoyaron en los experimentos de Pasteur. Tindall encontró que un rayo de luz puede observarse mejor cuando el humo de un cigarrillo pasa a través de él. Lo mismo ocurre en un cámara en cuyo interior hay aire normal. Al pasar un rayo de luz se observarán pequeñas partículas que flotan y que, él pensó, podían ser atribuidas a la presencia de los microorganismos responsables del fenómeno de putrefacción. Tindall mostró que el aire normal contenido en una cámara hermética presenta una serie de partículas diminutas que se hacen aparentes al incidir un rayo de luz en la cámara. Sin embargo, después de algunas semanas las partículas se depositan en el fondo y el rayo de luz ya no es dispersado. A esto Tindall lo llamó cámara ópticamente vacía. En 1869 este físico inglés demostró que al llenarse una cámara con aire que se forzaba a pasar pasar a través de un algodón, se lograba lograba obtener aire ópticamente ópticamente vacío. La relación relación de sus experimentos con los de Schwann y Pasteur fue obvia para él: las pequeñas partículas no eran otra cosa que microorganismos. Demostró que el aire ópticamente vacío no iniciaba el proceso de putrefacción. En 1876 diseñó una cámara (Figura 5) que permitía observar tanto la presencia de partículas contenidas en el aire como la putrefacción de cualquier sustancia depositada en el interior de la cámara. Esta cámara tenía además una entr entrad adaa para para depo deposi sita tarr la muest muestra ra (B) (B) y una venti ventila laci ción ón que que serví servíaa tamb tambié ién n para para equilibrar las presiones (A) y consistía en un tubo con varios dobleces. Para determinar la presencia de partículas en el aire, el rayo de luz (E) se hacía pasar como se muestra en la figura. El 10 de septiembre de 1875 se cerró la caja de Tindall y, al pasar el rayo de luz, éste se hizo aparente por la presencia de las partículas suspendidas en el aire. Para el 13 de septiembre, el aire en su interior estaba ópticamente vacío. El experimento se llevó a cabo utilizando un caldo de cultivo que fue depositado en los tubos de ensayo del interior. El caldo hirvió durante 5 minutos al ser sumergidos los tubos en un baño hirviente de salmuera. Por otra parte, otros tubos que también fueron hervidos se dejaron fuera de dicha caja. Para el cuarto día, los tubos que quedaron fuera de la caja estaban ya turbios mientras que los que estaban en su interior se mantuvieron trasparentes durante 4 meses. Al abrir la caja el contenido de los tubos se volvió turbio en 4 días. Estos experimentos se repitieron en varias ocasiones con otro tipo de infusiones siempre con el mismo resultado y éxito. La inferencia era clara, el aire ordinario contiene normalmente cantidades variables de microbios y son a éstos precisamente a los que se debe la mal llamada "generación espontánea".
Figura 5. Cámara de Tindall.
La fermen fermentac tación ión debe debe estar estar asocia asociada da a un microb microbio. io. A pesar de que Pasteur logró demostrar que la contaminación de un caldo de cultivo se debe a la presencia de micr microor oorga ganis nismo mos, s, segu seguía ía siend siendo o impo import rtan ante te sabe saberr cómo cómo ocur ocurrí rían an los proc proceso esoss de putrefacción de la materia. Así fue como otra serie casi innumerable de sucesos ocurrieron y permitieron descartar definitivamente las ideas sobre la generación espontánea. En estudios posteriores sobre la fermentación butírica y la producción de vinagre, Pasteur encontró que estos procesos se debían al desarrollo de microorganismos específicos como son el Vibrion butiricum y el Mycoderma aceti. A pesar de esto, Liebig consideraba que la putrefacción y la fermentación eran producidas por "fermentos" (del latín fermentum, que viene de fervere hervir y se refiere a la evolución del gas) que, según él, consistían de materia orgánica en descomposición. Se consideraba consideraban n fermentos, fermentos, por ejemplo, ejemplo, las partículas de queso viejo que al mezclarse con un poco de leche hervida hacían que ésta se acidificara rápidamente y, según Liebig, tal reacción se debía a la existencia de fermentos. La existencia de levaduras, que para Pasteur explicaba la ferm ermenta ntación, ón, para Liebig sólo significaba que est estos microorganismos, al morir, se descomponían y, por lo tanto, actuaban también como fermen fermento. to. Sin embarg embargo, o, Pasteu Pasteurr finalm finalmente ente demost demostró ró que las levadur levaduras as origin originan an el proceso de fermentación mientras crecen. En resumen, Pasteur aclaró los conceptos sobre la fermentación y definió que ésta es el producto de una reacción que lleva a cabo un micr microor oorga ganis nismo mo y que que cada cada micr microor oorga ganis nismo mo tiene tiene su prop propio io tipo tipo cara caract cter eríst ístic ico o de fermen fermentac tación. ión. Las levadur levaduras as produc producen en alcohol alcohol,, las bacter bacterias ias láctic lácticas as ácido ácido láctic láctico, o, el vibrión butírico ácido butírico, etcétera. Otro investigador de la época, Gay-Lussac, proponía que la fermentación era el resultado de una serie de reacciones químicas. Sin embargo, sus resultados eran poco refinados como para que se sostuvieran ante las evidencias de Pasteur. Edward Buchner, más adelante, logró demostrar en forma accidental que la fermentación ocurría en un extracto de levaduras, y comenzó a pensar en la fermentación como una cadena de reacciones químicas que podían ocurrir aun en ausencia del microorganismo. I.4 CÓMO SON LAS BACTERIAS
Es importante recordar que las bacterias no poseen todas las estructuras que contienen en su interior las células de los organismos que aquí llamaremos superiores y éstas pueden ser desde las levaduras hasta las células de cualquier animal. La figura 6 muestra estas diferencias estructurales. Las células bacterianas presentan dos características principales. La primera es que no tienen un núcleo que contenga contenga al ácido desoxirrib desoxirribonucleic onucleico o (ADN), el cual es el material genético, sino que éste se encuentra libre en su interior (citoplasma). El tamaño de esta molécula de ADN es varios cientos de veces más grande grande que la bacteria misma y contiene toda la información hereditaria necesaria para asegurar la superviviencia de la pequeña célula. La segunda es que el citoplasma contiene, además, moléculas de ARN, llamadas ribosomas, cuya función es la de ensamblar proteínas que tendrán, a su vez, diversas funciones. Estos ribosomas son más pequeños que los de las células de los animales superiores. Las bacterias tienen también envolturas celulares diferentes a las de las células de los animales superiores. Todas presentan una pared formada de un componente químico específico específico llamado peptidoglica peptidoglicano, no, que es el responsable responsable de dar a la célula una envoltura resistente. La presencia de la llamada pared celular ha permitido catalogar a las bacterias en gram positivas y gram negativas. Las bacterias que se tiñen con un colorante violeta son las positivas positivas para la tinción de gram y no tienen pared celular. Otras Otras no se tiñen con el colorante y se les conoce como gram negativas.
Figura 6. Diferencias estructurales entre la células superiores y las bacteias.
Las bacterias pueden tener organelos que les permitan moverse. Los más comunes son los flagelos, que se proyectan de su superficie en uno de los extremos de la célula. Las bacterias pueden ser de muchas formas: esféricas, en forma de bastón y hasta ramificadas. En general, su tamaño es muy inferior al de una célula de un organismo superior y su multiplicación es por división asexual. Durante su ciclo reproductivo se forma una pared divisoria después de que su cromosoma, formado de ADN que contiene la información información genética, se ha duplicado. duplicado. De esta forma las dos porciones de la célula se separan, conteniendo cada una de las nuevas células su propio cromosoma (Figura 7). Algunas Algunas bacter bacterias ias tienen tienen estructu estructuras ras conoci conocidas das como como endosp endospora oras, s, las cuales cuales pueden pueden resistir el paso del tiempo y aun agresiones tales como altas temperaturas y productos químicos tóxicos que acaban normalmente con una bacteria. Estas esporas permanecen en estado latente y, bajo condiciones adecuadas, pueden dar lugar a una nueva bacteria. Las bacterias están íntimamente ligadas a la existencia de la vida sobre la Tierra. Son causantes de muchas enfermedades, pero también en muchos casos son las responsables de la continuidad de la vida. Los microbios y las enfermedades. Sin duda una de las cargas que más ha pesado sobre la humanidad ha sido las enfermedades causadas por los microorganismos. No solamente eran la causa más frecuente de muerte sino, además, de las enfermedades que atacaban a los menores de edad. No en pocas ocasiones a causa de la naturaleza epidémica de las infe infecc ccion iones, es, ejér ejérci cito toss y naci nacion ones es enter enteras as fuero fueron n exter extermi mina nado dos. s. Una de las las gran grande dess hazañas de las ciencias médicas y biológicas ha sido el descubrimiento de la causa y el control de estas epidemias devastadoras. Hoy en día es fácil dar por hecho estos logros tan importantes importantes y preocupars preocuparsee por los problemas problemas derivados derivados de los avances avances tecnológicos. tecnológicos. Sin embargo, Pasteur y Koch llegaron a ser considerados héroes por haber rescatado a la humanidad de una de las más grandes amenazas con la que tuviera que enfrentarse: la contaminación microbiana. Es indudable que el avance de la microbiología como una ciencia es inseparable de su función como pilar fundamental de la medicina moderna.
Figura 7. Ciclo reproductivo de una bacteria. La reproducción se lleva a cabo asexualmente por división celular. El diagrama muestra las siete etapas del ciclo de vida de la bacteria Escherichia coli que por lo común se encuentra poblando el intestino grueso de los humanos. 1) El único cromosoma circular de ADN ya se empieza a replicar. 2, 3) A los 20 minutos el nuevo cromosoma está completo y se ha fijado a un sitio en la célula. cé lula. 4) A los 25 minutos los dos cromosomas se han empezado a duplicar. 5) Aparece una división en el centro de la célula. 6) A los 38 minutos la división es ya una pared. 7) A los 45 minutos la división se ha completado.
Los microbios del suelo. Al final de la era encabezada por Pasteur, otros investigadores, como lo fueron Winogradsky Winogradsky en Rusia y Beijerinck Beijerinck en Holanda, Holanda, comenzaron comenzaron a explorar explorar la micr microb obio iolo logí gíaa del del suel suelo o y desc descub ubri rier eron on para para su sorp sorpre resa sa una una gran gran va vari ried edad ad de microorganismos en los diferentes tipos de suelo que estudiaron. Con el desarrollo de la "microbiología del suelo" se hizo aparente que el principal papel que desempeñan desempeñan los microbios en la naturaleza naturaleza es geoquímico. geoquímico. Gracias a la presencia presencia de bacterias en la tierra, los compuestos orgánicos como el carbono, el nitrógeno y el azufre pueden ser usados cíclicamente por las plantas y los animales, en vez de que dichos elementos se encuentren como materia inorgánica muerta. Un hecho interesante es que la "fertilidad" de la tierra se acrecienta si en ésta hay bacterias que sean capaces de convertir nitrógeno atmosférico o amoniaco proveniente de la descomposición descomposición de material orgánico orgánico en nitrato nitrato (que viene a ser la forma no volátil de estos compuestos), forma en la cual es aprovechado por las plantas que en ella crecen. Por otra parte las algas y, en una menor proporción, las bacterias fotosintéticas llevan a cabo la otra mitad del ciclo geoquímico, la formación de materia orgánica a partir de bióxido de carbono (C0 2) por medio de la fotosíntesis. Es importante enfatizar el papel benéfic benéfico o de ciertos ciertos microb microbios, ios, ya que la conexió conexión n histór histórica ica entre entre las enferm enfermeda edades des infecciosas y la microbiología ha dado lugar a la imagen popular de que el mundo de los microbios es maligno y hostil. Sin embargo, la fracción de microbios nocivos para el hombre es mínima con respecto al del total de la masa microbiana sobre la Tierra. La mayoría de los microbios ataca la materia orgánica muerta cuando está bajo tierra y constituye un factor determinante en la transformación de la materia orgánica.
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M E T A B O L I S M O
B A C T E R I A N O
TODOS los seres vivos llevan a cabo el procesamiento de los nutrientes que los mantienen vivos. A este conjunto de procesos, se le conoce como metabolismo y consiste de un gran número de reacciones químicas destinadas a transformar las moléculas nutritivas en element elementos os que poster posterior iormen mente te serán serán utiliz utilizado adoss para para la síntesi síntesiss de los compon component entes es estructural estructurales; es; como pueden pueden ser las proteínas. proteínas. Otra parte parte importante importante del metabolismo metabolismo es la de transformar y conservar la energía que está contenida en una reacción química en algún proceso que requiera de energía, como puede ser el trabajo o el movimiento. Es evidente que los nutrientes son transformados cuando entran en un organismo, ya que en ningún caso el alimento contiene todas las moléculas que una célula requiere. Esto se vio con claridad al observar el crecimiento normal de levaduras en un medio de cultivo que sólo contenía glucosa como única fuente de energía. Así pues, se pensó que la síntesis de todos los componentes celulares se llevaba a cabo en el interior de las levaduras. levaduras. Hoy sabemos que las transformac transformaciones iones que sufre la glucosa glucosa no ocurren ocurren en un solo paso, sino que, por el contrario, se forman varios productos intermedios que en muchas ocasiones ocasiones no tienen una función específica específica a no ser la de formar parte de lo que se conoce como vía metabólica. La transformación de los nutrientes en compuestos útiles para la subsistencia de un organismo se lleva a cabo por medio de las reacciones químicas que realizan unas proteínas conocidas como enzimas. De tal forma que no podemos hablar del metabolismo si no describimos brevemente qué son y cómo funcionan las enzimas. II.1 LAS ENZIMAS SON EFICIENCIA Y RAPIDEZ La enzi enzimo molo logí gíaa es una part partee fund fundam ament ental al de la bioq bioquí uími mica ca que que se ha desa desarr rrol olla lado do rápi rápida dame mente nte en los últi último moss cinc cinco o dece decenio nios. s. Cier Cierta tass manif manifes esta taci cione oness de la acci acción ón enzimática eran conocidas desde mucho tiempo atrás y si bien sus causas eran ignoradas, ya se conocían varios procesos como la fermentación, la digestión y la respiración o consumo de oxígeno. Las enzima enzimass son proteí proteínas nas especia especializ lizada adass capace capacess de transf transform ormar ar química químicament mentee una molé molécu cula la;; son son sin sin duda duda las las moléc molécul ulas as biol biológ ógica icass más más nota notabl bles es ya que que solam solament entee transforma transforman n a una molécula y a ninguna otra y esto lo hacen varios cientos cientos de veces por segundo. Estas características las hacen mucho mejores que cualquier catalizador químico hecho por el hombre.
Figura 8. (a) Cadena lineal de aminoáidos. (b) Cadena tridimensional tridimensional de aminoácidos. aminoácidos.
Pasteur pensaba que la fermentación era llevada a cabo por enzimas y que su acción estaba íntimamente ligada a la estructura y a la vida de las levaduras. Un hecho de gran importancia que marcó el inicio de la enzimología y de la bioquímica ocurrió cuando, en 1877, Edward Buchner logró que un extracto extracto libre de levaduras levaduras enteras llevara a cabo la fermentación alcohólica. Esto implicaba que tales enzimas, de gran importancia para la célula viva, eran capaces de llevar a cabo su función con independencia de la integridad de la estructura celular. En 1926, el notable bioquímico J. B. Sumner aisló y cristalizó por primera vez una enzima, la ureasa de frijol, y comprobó que era una proteína, lo que era contrario a la opinión general en aquel tiempo. Tuvieron que pasar 10 años, hasta 1926 que fue cuando Northrop cristalizó otras tres enzimas, para establecer finalmente que éstas son proteínas especializadas en una reacción. Hoy en día se conocen quizá más de 2 000 enzimas diferentes y, aunque se sabe mucho acerca de ellas, quedan aún grandes dudas sobre su control genético y su modo de acción.
Figura 9. (a) Enzima con uno o dos sitios activos y una cadena de aminoácidos. (b) Enzima con varias cadenas de aminoácidos y varios sitios activos.
Estas proteínas actúan sobre una sola molécula, es decir, son como una llave y una cerradura: la llave es la molécula y la cerradura es la enzima. La posibilidad de que una llave abra otra cerradura cerradura que no sea la que le corresponde corresponde es muy remota. Pues bien, lo mismo ocurre con las enzimas: la posibilidad de que una enzima actué sobre otra molécula que no sea la que le corresponde es muy baja. Las enzimas, en su calidad de proteínas, se hallan formadas por cadenas de aminoácidos, las cuales se arreglan arreglan espacialmente espacialmente en formas formas variadas. variadas. En otras palabras, palabras, las cadenas cadenas de aminoácidos constituyen estructuras tridimensionales (Figura 8). Así, estas complicadas estructuras forman un espacio o hueco en donde se une la molécula que va a ser transformada; a este hueco se le denomina sitio activo. Las enzimas tienen entonces un sitio activo y una estructura tridimensional que las hace ser únicas. Sin embargo, pueden existir enzimas con dos o más sitios activos y con una estructura integrada por una o varias cadenas de aminoácidos (Figura 9). La velocidad a la que dichas enzimas trabajan es muy alta y esto las hace muy eficientes. Su acti activi vida dad d está está en func funció ión n dire direct ctaa de la cant cantid idad ad de molé molécu cula lass que que va a ser ser transformada y su acción es regulada en parte por la aparición en el medio del producto final de la reacción, que de hecho inhibe su actividad. Su acción puede ser concertada es decir decir,, que que una una enzi enzima ma se encuen encuentr traa dent dentro ro de un proce proceso so más más o menos menos larg largo o de degradación o de síntesis y de esta forma el producto de dicha enzima será el sustrato de la siguiente enzima y así sucesivamente (Figura 13).
Figura 10. Simplificación de la relación que guardan los organismos autótrofos y heterótrofos.
El metabolismo se podría definir como el conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula y que tienen por objeto generar la energía y los componentes necesarios para que ésta lleve a cabo sus funciones. Esta definición estaría incompleta si no aclaramos antes que todas estas reacciones están altamente coordinadas y dependen del perfecto funcionamiento de los sistemas multienzimáticos. II.2 UNOS SERES VIVOS DEPENDEN DE OTROS Organismos Organismos autosuficient autosuficientes es y organismos organismos dependientes. dependientes. Para poder llevar a cabo todas sus reacciones metabólicas, los seres vivos necesitan una fuente de alimento y energía. De acuerdo con su fuente de obtención de nutrientes, los organismos vivos se pueden dividir en dos grandes grupos. Por una parte, los autosuficientes (autótrofos), que utilizan al bióxido de carbono ( CO2) y al agua ( H20) como única fuente de alimento y a partir de esto estoss compu compuest estos os prod produc ucen en toda todass las las moléc molécul ulas as neces necesar aria iass para para su subs subsis isten tenci cia, a, crecimiento y proliferación. Por otra parte, los que dependen de otros compuestos o de sus productos, se llaman heterótrofos. Estos no pueden utilizar el bióxido de carbono como tal y por lo tanto deben obtener el carbono que necesitan a partir de otros compuestos que se encuentran en el medio que los rodea, como por ejemplo la glucosa, que es una molécula mucho más compleja que el C02. Lo cual quiere decir que unas formas de vida requieren de otras y así se establece una cadena alimenticia. Ya que unos organismos son relativamente autosuficientes y otros requieren de fuentes de carbono más más compl complej ejas as,, su inter interre rela laci ción ón es neces necesar aria ia y vita vital. l. Algu Algunos nos ejem ejempl plos os de célula célulass autosuficient autosuficientes es son las de las plantas, las bacterias bacterias fotosintéticas fotosintéticas y algunas algunas bacterias bacterias no fotosintéticas. Sin embargo, la mayoría de los organismos no son autosuficientes y por lo tanto requieren siempre de una asociación benéfica con un organismo que sí lo sea. El ciclo del carbono y del oxígeno. En la figura 10 podemos ver cómo se relacionan los organismos fotosintéticos y los que dependen de ellos. Los primeros, por medio de la energía luminosa del Sol, más el agua y el bióxido de carbono ( C02) del suelo, llevan a cabo la fotosíntesis, produciendo así glucosa y oxígeno. A partir de estos compuestos básicos que se convierten en materia orgánica, los organismos dependientes obtienen a su vez los nutrientes que, al ser utilizados, son transformados y liberados al medio en forma de agua y C02. Estas moléculas a su vez serán nuevamente utilizadas por los organismos fotosínteticos. Así Así pues, pues, la inte interr rrela elaci ción ón entre entre ambos ambos tipo tiposs de orga organi nism smos os crea crea a su ve vezz un cicl ciclo o importante para la conservación de la vida en la Tierra. A éste se le conoce como ciclo del carbono y del oxígeno. El ciclo del nitrógeno. El nitrógeno es sin duda un elemento muy importante para el metabolismo, ya que forma parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y de muchas moléculas de gran importancia biológica. De manera similar a lo que ocurre con el carb carbono ono,, el nitr nitróg ógeno eno form formaa part partee de un cicl ciclo o que que hace hace a los dife difere rente ntess tipo tiposs de organismos vivos depender entre sí. Esto se debe básicamente a que, a pesar de que el nitr nitróg ógeno eno se encue encuentr ntraa dist distri ribu buid ido o en cant cantid idad ades es enor enorme mess en la atmós atmósfe fera ra,, es un elemento poco reactivo y debido a eso no puede ser aprovechado por la mayoría de las formas de vida. El nitrógeno debe ser asimilado por las plantas bajo la forma de nitrato o amoniaco, o bien por los animales bajo la forma de animoácidos, los cuales forman parte estructural de las proteínas. La asimilación asimilación del nitrógeno nitrógeno en los ciclos de vida depende depende de varios factores. factores. Las plantas plantas toman el nitrógeno de la tierra en la forma de nitrato y lo utilizan para llevar a cabo las funciones metabólicas que dependen de este elemento. Por otra parte, los organismos
depe depend ndie ient ntes es util utiliz izan an las las prot proteín eínas as ve vege geta tale less como como nutri nutrient entes es para para apro aprove vech char ar el nitrógeno contenido en éstas y lo devuelven a la tierra en forma de amoniaco como producto de desecho, o bien como producto de descomposición después de su muerte como se muestra en la figura 11. En la tierra, una especie de bacterias transforma al amoniaco en nitrato, el cual puede nuevamente ser utilizado por las plantas.
Figura 11. El ciclo del nitrógeno. Este ciclo mantiene el balance entre las dos vastas reservas de compuestos nitrogenados: nitrogenados: la atmósfera y la corteza terrestres.
Existen, sin embargo, algunas especies de bacterias muy peculiares, conocidas como fijadoras de nitrógeno, que son capaces de procesar el nitrógeno atmosférico que por lo gener general al no se asim asimilila. a. Esta Estass bact bacter eria iass lo trans transfo form rman an en un prod product ucto o útil útil para para los los organismos que dependen de él, como las plantas. Las bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico se asocian íntimamente con las raíces de algunas plantas. De esta forma, algunas, como el frijol, no requieren de ningún tipo de abono o fertilizante, ya que su asociación con la bacteria les permite utilizar en forma directa el nitrógeno atmosférico. Este tipo de simbiosis se antoja atractiva para que otras plantas, que requieren de fertilizant fertilizantes, es, sean capaces capaces también también de asociarse asociarse con estas bacterias. bacterias. Un gran número de investigadores en México y otras partes del mundo se encuentra interesado en este problema tan importante para la agronomía. Así, se están estudiando las posibilidades de establecer este tipo de interacción bacteria-planta en plantas que normalmente no lo hacen. Hastaa la fecha Hast echa sólo sólo se cono conoce ce un tipo ipo de micr icroor oorgani ganism smo o que sea sea tota totalm lmen ente te autosuficiente y que no dependa de ningún otro ser vivo, ya que utiliza la luz del Sol como fuente de energía, obtiene el carbono a partir del bióxido de carbono y el nitrógeno de la atmósfera. Estos organismos son las algas verdeazules, las cuales, se piensa, fueron los primer primeros os poblad pobladores ores de la Tierra Tierra cuando cuando se establec establecier ieron on las condic condicione ioness climát climática icass adecuadas. II.3 LA ACTIVIDAD METABÓLICA AUMENTA O DISMINUYE El metabolismo metabolismo en los seres vivos es muy flexible flexible y se puede ajustar a la cantidad cantidad y tipo de nutrientes disponibles en el medio que rodea a un microorganismo. Un ejemplo lo podemos podemos obtener de las levaduras, levaduras, las cuales se adaptan adaptan a las condiciones condiciones en que se les mante manteng nga, a, pues pues pose poseen en todo todo el conju conjunt nto o de enzim enzimas as neces necesar ario io para para sinte sinteti tiza zarr sus elementos básicos como los aminoácidos y todos los demás componentes celulares, de tal manera que si crecen en un medio con glucosa como única fuente de energía, pueden sintetizar todas las moléculas que necesitan, aunque esto implica un gran gasto en energía. La levadura puede evitarlo si le proporcionamos los aminoácidos y nutrientes requeridos, ya que economiza el aparato enzimático responsable de la síntesis de todos los compuestos que necesita para vivir. Actualmente es posible tener en el laboratorio cultivos controlados de bacterias en los cuales el investigador modifica a voluntad la composición de los nutrientes. Esto ha permitido conocer y entender cómo los microorganismos modifican su metabolismo en función función de la calidad nutritiva nutritiva del medio en el cual se les hace crecer. Si, por ejemplo, ejemplo, la conce concentr ntrac ació ión n de nutri nutrient entes es rico ricoss en nitró nitróge geno no baja baja,, el micr microor oorga ganis nismo mo inici iniciar aráá inmediatamente la síntesis de las enzimas necesarias para elaborar sus propios ácidos nucleicos y aminoácidos; todo está finalmente regulado y enfocado hacia la máxima economía metabólica y, en última instancia, al ahorro de energía. II.4 PARTES DEL METABOLISMO El metabolismo se puede dividir en dos grandes partes: el catabolismo y el anabolismo. La fase del metabolismo que descompone las moléculas grandes en pequeñas es el catabolismo. Las moléculas grandes como las proteínas, las grasas (lípidos) o los azúcares (carbo (carbohid hidrat ratos) os),, que provie provienen nen de nutrie nutrientes ntes del medio medio ambient ambiente, e, se descomp descompone onen n enzimá enzimátic ticame amente. nte. El produ producto cto de esta esta descom descompos posició ición n o degrad degradaci ación ón lo forman forman las moléculas más simples y pequeñas como, por ejemplo, el ácido láctico, el ácido acético, el bióxido de carbono, el amoniaco y la urea. De estas reacciones químicas de degradación se obtiene la energía química contenida en las estructuras de las grandes moléculas. Esta
energía se conserva en forma de molécula conocida como adenosíntrifosfato cual es de vital importancia en el metabolismo de cualquier organismo vivo.
(ATP),
la
Por otra parte, el anabolismo es la fase del metabolismo durante la cual se sintetizan de nuevo las moléculas que la bacteria o célula utiliza para regenerarse, mantenerse o dividirse, como son: las grasas, las proteínas, los azúcares o carbohidratos y los ácidos nucleicos (ADN y ARN), que forman parte funcional o estructural estructural de los organismos. organismos. Esto lo lleva a cabo el microorganismo microorganismo o la célula a partir partir de los constituyentes constituyentes primarios que se obtienen de los nutrientes. Sin embargo, tales procesos de síntesis requieren de energía y ésta la proporciona el ATP que fue generado durante el catabolismo. Así, el anabolismo anabolismo y el catabolismo catabolismo se llevan llevan a cabo simultáneame simultáneamente nte y cada uno está regulado regulado en forma muy precisa, ya que ambos procesos son interdependientes (Figura 12). Las enzimas que llevan a cabo las diferentes reacciones en el metabolismo funcionan en forma secuencial, lo que quiere decir que el producto de una reacción enzimática será a su vez degradado por la siguiente enzima de la cadena de reacciones de alguna vía metabólica, proceso al que se conoce como de sistemas multienzimáticos. La razón de este tipo secuencial de reacciones se debe, aparentemente, a los múltiples puntos de control que ofrece, ya que un solo paso para la conversión de una sustancia presentaría serios riesgos para un organismo; probablemente por esta razón tal estrategia no ha sido adoptada por la naturaleza.
Figura 12. El anabolismo y el catabolismo. Todos los procesos que ocurren en la célula o bacteria requieren de energía. Esta energía está almacenada como moléculas de ATP, que se forma a partir de ADP y fosfato inorgánico.
La degrad degradaci ación ón de los nutrie nutrientes ntes:: Las proteínas, los lípidos y los carbohidratos son degradados mediante reacciones enzimáticas que ocurren una después de la otra. Este proce proceso so de degr degrad adac ació ión n está está divid dividid ido o en tres tres etap etapas as que que a gran grande dess rasg rasgos os son las las siguientes: La primera consiste en la conversión de moléculas complejas a moléculas más simples; esto quiere decir que una proteína, que no es más que una cadena de aminoácidos, tiene que ser convertida de nuevo en sus constituyentes, que son los aminoácidos, para que
éstos puedan ser debidamente aprovechados en la segunda etapa de degradación. Estos proces ocesos os degra egrada dati tivo voss no requ requie iere ren n de ener energí gíaa y ocur ocurrren en el int interio eriorr del microorganismo. La segunda etapa consiste en la conversión de estas moléculas, ya bastante simples, en una aún más simple y común, independientem independientemente ente del origen origen de las moléculas. moléculas. Es decir, que tanto los carbohidratos como las proteínas o los lípidos son convertidos en una molécula mucho más simple llamada "acetil coenzima A". Es a partir de esta molécula que la tercera etapa del metabolismo se lleva a cabo y consiste en generar la energía que necesita la célula para realizar procesos vitales, como desplazarse o dividirse, entre otros. En esta etapa ocurre uno de los ciclos metabólicos más importantes de la biología: el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. Así pues, todas las moléculas que sirven a un organismo como fuente de subsistencia son llevadas, por medio de diversos caminos de degradación, a un camino metabólico común. Esta vía metabólica común degrada una sola molécula en una serie de pasos y como resultado se obtiene energía principalmente en forma de ATP. Los caminos metabólicos están finamente controlados. Estos mecanismos de control consisten en que los niveles de algunos productos regulan la actividad de algunas enzimas, de tal forma que su actividad se incrementa o disminuye dependiendo de los niveles del producto. Por otra parte, las concentraciones de ATP, que como ya vimos es una molécula muy importante en el metabolismo de la célula, regulan también la actividad de ciertas enzimas y esto lo hacen por medio de la unión del ATP a las enzimas susceptibles de ser reguladas por esta molécula. La regulación del metabolismo es vital, y de ésta depende que un un organismo produzca solamente la cantidad necesaria de cada una de las moléculas que requiere para subsistir y por lo tanto que el desperdicio de energía sea mínimo. Tanto las bacterias como las células de los seres superiores generan la energía necesaria durante el catabolismo y la almacenan en forma de ATP. Así, éstas pueden realizar funciones vitales como el movimiento, el transporte de nutrientes a su interior y la síntesis de las moléculas que forman parte de su estructura o que tienen funciones específicas y deben ser sintetizadas en el interior. La síntesis de las moléculas es continua e implica un recambio constante entre las moléculas que se degradan y las que se sintetizan. De hecho, los procesos de degradación se conocen, aunque las señales que los gobiernan son aún tema de intensas investigaciones. El estudio del metabolismo se ha apoyado en el uso de microorganismos a los cuales se les induce un cambio genético o mutación. Este tipo de enfoque ha permitido entender la mayoría de las vías metabólicas. Así, por ejemplo, el hongo Neurospora crassa puede crecer en un medio simple que contenga glucosa como única fuente de carbono y amoniaco como fuente de nitrógeno. Sin embargo, si se expone este hongo a rayos X, se obtiene una neurospora que ya no crece en el medio simple. Esta mutante solamente puede crecer en un medio de cultivo al cual se le ha añadido el compuesto que ya no sintetiza dicho microorganismo. Un ejemplo de esto son las mutantes del hongo que ya no crecen a menos que se añada al medio un aminoácido conocido como arginina (como todos los aminoácidos contiene nitrógeno). Lo cual quiere decir que la síntesis de este aminoácido está alterada y el hongo, por lo tanto, no puede utilizar el nitrógeno del medio para sintetizarlo. Esta mutante no crecerá a menos que se le adicione dicho aminoácido en el medio de cultivo. Existen toda otra serie de mutantes similares que difieren en los pasos en que el metabolismo se encuentra alterado; así se han podido conocer las diferentes etapas que forman parte de una vía metabólica. II.5 LA MAQUINARIA DEL METABOLISMO
El metabolismo es, entonces, un sistema complejo de reacciones químicas llevadas a cabo por las enzimas que son las responsables de la transformación de los nutrientes en moléculas útiles para la bacteria.
Figura 13. Sistemas multienzimáticos. Estos pueden ser tanto solubles como membranales, de su disposición depende su función.
La complejidad de los sistemas multienzimáticos que lleva a cabo el metabolismo es variable. En algunos casos las enzimas se encuentran en el interior de la célula y las moléculas moléculas que van a ser degradadas degradadas interaccionan interaccionan libremente. libremente. Estos sistemas funcionan con base en la difusión libre de los productos del metabolismo (metabolitos) en el interior de la bact bacter eria ia o célu célula la.. En otra otrass pala palabr bras as,, la prob probab abililid idad ad de que que una una molé molécu cula la interaccione con la enzima adecuada es alta y la reacción ocurre por lo tanto a una gran velocidad. Por otra parte, existen sistemas multienzimáticos organizados espacialmente en la membr membran anaa celula celular; r; esto esto perm permit itee que que las las reac reacci cione oness ocur ocurra ran n de una mane manera ra
organizada, funcionando juntos como una perfecta maquinaria engranada. Este tipo de disposición de las enzimas en una membrana puede llegar a ser muy complicada. De hecho, su funcionamiento es aún un problema biológico que atrae la atención de varios grupos de científicos en el mundo. Estos complejos enzimáticos altamente organizados form forman an part partee indisp indispens ensab able le de los orga organis nismo moss vivo vivoss desd desdee las las bact bacter eria iass hast hastaa los mamí mamífe fero ros. s. La inter interac acció ción n íntim íntimaa entre entre sus sus comp compon onent entes es faci facililita ta la difus difusió ión n de los los metabolitos, y por lo tanto la velocidad a la que ocurren las reacciones es también muy alta. La figura 13 ilustra los tipos de sistemas enzimáticos y su disposición en el interior de la bacteria o de su membrana. El metabo metabolis lismo mo puede puede tener tener direcci dirección ón y tamaño tamaño.. Como Como ya vimos, vimos, existe existen n sistema sistemass mult multien ienzi zimá máti tico coss asoc asocia iado doss a una una membr membrana ana celu celula lar. r. Esto Estoss sist sistema ema gener general alme ment ntee aprovechan aprovechan la división entre uno y otro lado de la membrana, membrana, es decir entre el interior y el exterior de la bacteria. Esta disposición permite dividir un compartimiento de otro, ya que las membranas celulares son impermeables. La idea de que el metabolismo en compartimientos puede tener dirección y tamaño parece complicado o sin sentido, y así fue como lo tomaron los bioquímicos en los años sesenta. sesenta. En 1961, Peter Mitchell, un microbiólogo microbiólogo inglés, inglés, propuso por primera vez que la síntesis de la molécula conocida como ATP, se debía a que ciertas reacciones metabólicas tenían como resultado el movimiento de una especie química cargada o ión, en este caso un protón (H+). Este protón, entonces, era el responsable de que el ATP fuera sintetizado.
Figura 14. Algunas reacciones metabólicas tienen dirección y magnitud; estas reacciones se llevan a cabo en una membrana que funciona como barrera y que permite acumular una especie química, que al equilibrarse genera trabajo o energía.
La forma como funciona el complejo enzimático que sintetiza el ATP puede expresarse así: logra que un protón que se encuentra en el interior sea sacado al exterior. La figura 14 muestra muestra en forma esquemática esquemática este proceso. Sumergidas Sumergidas en la membrana de la bacteria se encuentran las enzimas que componen la cadena respiratoria (así se les conoce, ya que al funcionar consumen oxígeno). La cadena respiratoria utiliza los compuestos que se producen durante el catabolismo en el ciclo de Krebs; éstos tienen la propiedad de ceder un elec electr trón ón que que con con un prot protón ón form formar aráá un hidr hidróg ógen eno o que que ya no tiene tiene carg carga. a. Este Este hidrógeno es transportado al lado opuesto de la membrana en donde pierde nuevamente el electrón y se libera el protón resultante resultante al medio. Así, al cabo de varios ciclos se logra acumular una gran cantidad de protones en el exterior de la bacteria y esto tiene como consecuencia que se establezca una diferencia en la concentración de protones, que tiene
la tendencia natural a equilibrarse. Un ejemplo podría ser la situación imaginaria de que un grupo grande de personas se encuentre en un pequeño cuarto comunicado con otro por una puerta que sólo se mueve en el sentido del cuarto vacío. Al estar tan apretadas empujarán dicha puerta y se empezará a llenar el cuarto vacío, y pasado un tiempo el número de personas será igual en ambos cuartos. Volviendo a la membrana de una bact bacter eria ia,, lo que que ocur ocurre re es que que la ener energí gíaa que que se libe libera ra cuan cuando do se reeq reequi uililibr bria ia la concentració concentración n de los protones protones en ambos lados de la membrana, membrana, permite que se sintetice sintetice el ATP. Lo anterior, que hoy en día se ve claro, fue muy difícil de aceptar por la comunidad científica de la época y pasaron 16 años para que esta teoría fuera completamente aceptada. Su aceptación culminó con la entrega del premio Nobel a Peter Mitchell, ya que su teoría permitió explicar una gran cantidad de fenómenos fenómenos hasta entonces oscuros. Por ejemplo, si estas reacciones con dirección producen una diferencia en la concentración de protones se tendrá también una diferencia de cargas (+) (afuera una gran carga positiva). Esto puede ser usado por algunas especies químicas para entrar, por ejemplo, si su carga es positiva (A+), o para salir si es negativa (B-). Como estos procesos metabólicos tienen dire direcc cció ión, n, magn magnit itud ud y sent sentid ido, o, se dice dice que que son son "vec "vecto tori rial ales es"; "; adem además ás,, son son muy muy comp complilica cado doss y toda todaví víaa no los los comp compre rend ndem emos os en su tota totalilida dad, d, pero pero bast bastee decir decir que que constituyen un pilar fundamental de los procesos energéticos celulares, ya que explican reacciones vitales como la síntesis del ATP o el transporte de nutrientes. Hasta ahora hemos visto a las bacterias que necesitan obtener su energía a partir de los nutrientes que se encuentran en el medio. Sin embargo, otro grupo de bacterias muy importantes son aquéllas cuya fuente principal de energía es la luz que proviene del Sol y de ellas nos ocuparemos a continuación. II.6 BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS Menos Menos famili familiare aress para para nosotro nosotros, s, pero pero igualm igualment entee import important antes, es, son las bacter bacterias ias que tienen la facultad de utilizar la luz como fuente de energía. Éstas desempeñan un papel fundamental en la ecología y han servido para el estudio del proceso molecular de la fotosíntesis fotosíntesis en numerosos numerosos laboratorio laboratorios. s. Cuando Cuando se toman muestras muestras de las profundidades profundidades de un lago, cualquiera se sorprendería al notar que el agua huele muy mal; además, hay que agregar el color verdoso o rojizo del agua. Si la analizamos con más detalle, veremos que hay producción de gas y que no existe oxígeno. Este ambiente tan hostil alberga a las poco conocidas bacterias fotosintéticas, responsables de una gran parte de la producción de mater materia ia orgá orgánic nicaa en los los lagos lagos y part partee impor importa tant ntee de la cade cadena na bioló biológi gica ca.. Esto Estoss organismos son muy antiguos y se piensa que son los descendientes directos de las primeras células fotosintéticas que existieron en la Tierra, entre las que se pueden contar las las alga algass ve verd rdea eazu zules les y las las bact bacter eria iass foto fotosi sint ntét ética icass verde verdess y púrp púrpur uras as.. Las Las alga algass verdeazules se pueden encontrar como células únicas o en colonias en la tierra, los ríos, los lagos y los océanos. Estos organismos pueden vivir utilizando CO2- como única fuente de carbono y algunos son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Las bacterias fotosintéticas verdes que producen azufre (sulfurosas), como Chlorobium, viven en ambientes carentes de oxígeno, como en el fondo de algunos lagos ricos en materia orgánica. Estos organismos le dan el color verde característico a estas aguas. Así encontramos también bacterias púrpuras sulfurosas, como Chromatium, que viven en ambientes también carentes de oxígeno y que utilizan compuestos con azufre en su metabolismo. Éstas se encuentran también en algunos lagos y en manantiales de aguas termales sulfurosas. Finalmente tenemos a las bacterias púrpuras no sulfurosas, que tienen la peculiaridad de utilizar la luz en ausencia de oxígeno, como las bacterias verdes y las púrpuras sulfurosas, pero además pueden utilizar al oxígeno durante los periodos de
oscur oscurid idad ad.. Estas Estas bact bacter eria iass pose poseen en en su inter interio iorr una una compl complica icada da orga organiz nizac ació ión n de moléculas encargadas de captar la luz solar y conservar la energía proporcionada por esta forma de energía química. La luz que es aprovechada es la luz visible y gran parte de la cual cual es empl emplea eada da tamb tambié ién n por por las las plan planta tass verdes verdes,, de tal tal form formaa que que los los pigm pigmen entos tos encargados encargados de captar la luz lo hacen en las regiones del espectro espectro de la luz visible que no son utilizadas por las plantas. Estas moléculas se conocen como pigmentos antena y, dado que la intensidad de la luz que llega a las profundidades donde se encuentran estas bacterias es muy baja, su captación debe ser muy eficiente para así aprovechar la energía al máximo. Estos microorganismos cuentan con estructuras internas que contienen las moléculas que captan la luz de tan baja intensidad. Estas estructuras se conocen como cromatóforos y contienen moléculas de clorofila típica de estas bacterias, que son las que captan la luz y retienen la energía que ésta proporciona (Figura 15). Las bacterias fotosintéticas realizan una parte muy importante de la transformación y generación de la materia orgánica de lagos y ríos. Su existencia es determinante en el frágil equilibrio energético de este planeta. Estudiarlas es de gran importancia. En México existen ya algunos grupos interesados en estos microorganismos y en sus mecanismos de transformación y conservación de la energía solar. La fotosíntesis. Éste es sin duda uno de los procesos más importantes de captura de energía en nuestro planeta y lo podemos definir como la forma de utilización de energía solar que han desarrollado algunos microorganismos fotosintéticos y las plantas, mediante la cual llevan a cabo la síntesis de todos sus componentes celulares. Este proceso es fundamental para todos los organismos vivos, ya que es la piedra angular del ciclo de utilización de la materia en la Tierra. La luz solar es la fuente primordial de energía en la Tierra, tanto para los organismos fotosintéticos como para casi todos los organismos heterótrofos. Se utiliza a través de una complicada serie de procesos que van desde las cadenas alimenticias hasta complejos proce procesos sos indust industri rial ales. es. Por Por ejem ejempl plo, o, el homb hombre re utili utiliza za la ener energí gíaa gene genera rada da por por la fotosíntesis de organismos que existieron hace millones de años y cuyos productos de desc descomp ompos osic ición ión se empl emplea ean n en form formaa de gaso gasolilina nass y deri deriva vado doss del del petr petról óleo, eo, que que proporcionan los combustibles para casi todas las máquinas construidas por el hombre.
Figura Figura 15. Micrograf Micrografía ía electróni electrónica ca de una bacteria bacteria fotosinté fotosintética tica no sulfuros sulfurosa, a, Rhodospirillum En su interior se pueden observar pequeñas estructuras llamadas cromatóforos.
rubrum.
El descubrimiento de la fotosíntesis. El desarrollo histórico de la fotosíntesis se inicia entre 1770 y 1777 cuando Joseph Priestley, uno de los descubridores descubridores del oxígeno, llevó a cabo impo import rtant antes es ex expe peri rime ment ntos os sobr sobree el inte interc rcam ambi bio o de mater materia ia que que ocur ocurre re dura durant ntee la fotosíntesis. El experimento de Priestley consistió básicamente en consumir el oxígeno de un recipiente cerrado, lo que logró con una vela que ardía en el interior. Al consumirse el oxígeno, observó que la vela se apagaba. Por otra parte, si en dicho recipiente con aire se introducía además de la vela un ratón, al poco tiempo de consumirse el oxígeno de la cámara el animal moría. Ahora bien, si dentro del recipiente se incluía una planta, tanto la vela como el ratón se mantenían sin problema alguno. alguno. Priestley concluyó que las plantas plantas verdes llevan a cabo la producción del oxígeno. Al parecer, este proceso era la inversa de la respiración en los animales, en la cual se consume oxígeno. A pesar de tan acertados experimentos experimentos,, Priestley Priestley no logró determinar determinar que este proceso estaba ligado a la luz. Fue Ingenhousz, un médico holandés, quien lo descubrió algunos años después, identificando que la porción verde de las plantas era la responsable de la producción del oxígeno. Posteriormente, en el siglo XIX se concretó otra serie de importantes descubrimientos que condujeron finalmente a dilucidar que las responsables de la fotosíntesis en las plantas son las hojas y que hay producción de materia orgánica durante este proceso que se puede esquematizar como sigue:
6CO2 + 6H2O + energía luminosa - C6H12O6 (glucosa) + 6 O2 La capacidad de llevar a cabo el proceso de fotosíntesis se encuentra en una gran variedad de organismos, tanto en bacterias como en plantas y algas.
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L A S
B A C T E R I A S Y L A T I E R R A
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EN LA Antigüedad los sabios sostenían que la vida en la Tierra consistía fundamentalmente en dos formas de vida: las plantas y los animales. Más adelante, cuando los microbios fueron descubiertos, la división se hizo de una forma similar; los organismos más grandes y que se movían se consideraban como animales, y los que aparenteme aparentemente nte no se movían, incluyendo incluyendo a las bacterias, bacterias, se consideraban consideraban como plantas.
Conforme avanzó el conocimiento sobre el mundo microscópico, se llegó a la conclusión de que la clasificación original era insuficiente y se propusieron categorías adicionales tales como hongos, protozoarios y bacterias. Sin embargo, posteriormente una nueva simplificación se llevó a cabo, ya que se pensó que los seres vivos podrían ser divididos en dos nuevamente, sólo que esta división sería a un nive nivell más más profu rofund ndo, o, es dec decir, ir, sobr sobree la estr estruc uctu turra de la célu célula la vivi vivien entte. Aparentemente todas las células vistas en un microscopio pertenecían a una de dos categorías: las que tienen un núcleo bien definido (eucariontes o eucariótico, que significa de núcleo verdadero) y las células sin núcleo (procarionte, que quiere decir literalmente antes del núcleo, figura 6) Las plantas y los animales multicelulares, multicelulares, lo mismo que varios organismos organismos unicelulares unicelulares y microscópicos como las levaduras y los protozoarios, tienen un núcleo bien definido y son eucariontes. Por otro lado están las bacterias que no tienen núcleo. Hasta aquí no parecía haber dificultad dificultad alguna en la clasificación, clasificación, sin embargo, embargo, muy recientemente recientemente un grupo grupo de inve invest stig igad ador ores es ha revi revisa sado do la clas clasif ific icac ació ión n que que hast hastaa ahora hora prev preval alec ecía ía y lleg llegó ó a inte intere resa sant ntes es concl conclus usion iones es:: se encon encontr tró ó que que entre entre las las bact bacter eria iass ex exis iste te un grup grupo o de organismos que no parece estar relacionado ni con los organismos superiores ni con los más simples. Estos nuevos organismos tampoco contienen núcleo, como las bacterias, y se parecen mucho a éstas en su morfología vistas en un microscopio. Sin embargo, en su composición composición química y en la estructura estructura de algunos algunos de sus componentes moleculares moleculares son tan distintos de las bacterias (procariontes) como lo son de los organismos superiores (eucariontes). Estos microbios forman por sí mismos un nuevo grupo, que se caracteriza por tener una forma de vida completamente diferente a lo conocido hasta ahora, al que se ha dado el nombr nombree de arqueob arqueobact acteri erias as (arque (arqueo: o: viejo viejo o primit primitivo) ivo) y este curios curioso o nombre nombre hace hace evidentes algunas conjeturas sobre su origen aún no comprobadas. Hay indicios de que este grupo de organismos es por lo menos tan antiguo como los otros dos, pero como algunas algunas clases de arqueobacteria arqueobacteriass tienen formas de metabolismo metabolismo que se adecuan adecuan bien a las condiciones climáticas que prevalecían probablemente en los orígenes de la historia de la Tierra, posiblemente las arqueobacterias son el grupo más antiguo de los tres. III.2 BACTERIAS FÓSILES Un hecho muy importante es que no solamente los animales y las plantas han dejado restos de su existencia como fósiles, sino que las bacterias, aunque pequeñas, también imprimieron la huella de su pasado en la Tierra, ya que, como vimos, estos pequeños organismos son capaces de modificar el medio ambiente. Los microfósiles, es decir los fósiles de las bacterias, se encuentran en sedimentos de todas las edades geológicas e incluso en las rocas sedimentarias que tienen 3 500 millones de años y que son las más antiguas que se conocen. Las bacterias o microbios existieron en un periodo de la historia de la Tierra en el que no había otras formas de vida. La Era de las bacterias fue muy importante, importante, ya que en ella se produjo toda una serie de eventos eventos evolutivos evolutivos y geológicos. geológicos. Hasta hace muy poco no se sabía gran cosa sobre la Era de los microorganismos y, por otra parte, los microfósiles aislados no dan mucha información. Sin embargo, se han descubi descubiert erto o otras otras estruct estructura urass fósiles fósiles de bacter bacterias ias que forma forman n aglomer aglomerado adoss llamad llamados os estromatolit estromatolitos os y que son aparenteme aparentemente nte colonias colonias de bacterias mezcladas mezcladas con minerales. Hoy en día se sabe que tales tipos de estructuras constituyen efectivamente aglomerados peculiares de bacterias que quizá eran fotosintéticas. Se piensa que es así porque los estr estrom omat atoli olito toss de bact bacter eria iass foto fotosi sinté ntéti tica cass que que se han han fosi fosililiza zado do reci recient entem ement entee se asemejan a los antiguos, a tal grado que es razonable pensar que las estructuras antiguas
también fueron formadas por bacterias fotosintéticas. Ésta es la única evidencia que se tiene sobre el origen de la evolución de las bacterias, el cual es tan oscuro como lo es el origen de las formas de vida superiores (Figura 16).
Figura 16. ¿Cuál es el antecesor común de todas las formas de vida? Ésta es sin duda una incógnita de gran gran imp import ortan ancia cia,, ya que dentro dentro de este este esquem esquema a seform seforma a el tronco tronco común, común, de donde donde emer emergi gier eron on los los orga organi nism smos os supe superi rior ores es prim primit itiv ivos os (euc (eucar ario iont ntes es), ), las las bact bacter eria iass y las las arqueobacterias.
III.3 LA BIOQUÍMICA Y LA EVOLUCIÓN La biología se ha servido de la bioquímica para tratar de descifrar el pasado de una célula o bacteria. Para tal fin se han utilizado moléculas propias de la célula como lo son las proteínas y los ácidos nucleicos (ácido ribonucleico, ARN, y ácido desoxirribonucleico, ADN). La idea en que se apoya este proceso se basa en que los organismos vivientes son mucho más ricos en información información que los fósiles, fósiles, información información que se extiende extiende más allá de los fósiles más antiguos. Sin embargo, para poder descifrar los antecedentes biológicos ha sido sido nece necesa sari rio o desa desarr rrol olla larr la tecn tecnol olog ogía ía para para dete determ rmin inar ar la estr estruc uctu tura ra del del ácid ácido o desoxirribonucleico (ADN) que conforma un gene, la del ARN y la del producto de un gene, como son las proteínas. Para el caso de las proteínas (del griego proteios, primero), desde hace aproximadamente 25 años se llevan a cabo las determinaciones de las secuencias de amin aminoá oáci cido doss que que const constit ituye uyen n a va vari rias as de ellas ellas.. Sin emba embarg rgo, o, la tecno tecnolo logí gíaa para para la determinaci determinación ón de la secuencia de bases de ADN o ARN que forman los ácidos nucleicos ha sido perfeccionada muy recientemente (premio Nobel de Química 1980). Esta nueva
tecnología tecnología permitirá permitirá sin duda descubrir descubrir rápidamente rápidamente más acerca de la historia de la vida sobre la Tierra. Ha sido sido con con esta estass técni écnica cas, s, que un grupo upo de cien cienttífic íficos os ha logra ogrado do recon econoc ocer er recientemente a las arqueobacterias como una tercera forma de vida. Para apreciar la verdadera diferencia entre las arqueobacterias y las otras dos formas de vida, debemos recordar que se han definido criterios para distinguirlas. Recordemos que las células de los organismos superiores son relativamente grandes y está están n rode rodead adas as por por una una memb membra rana na dent dentro ro de la cual cual se encu encuen entr traa una una seri seriee de estr estruc uctur turas as que que a su vez están están rodea rodeada dass de otra otrass memb membra rana nas. s. Esta Estass estruc estructu tura rass subcelulares se llaman organelos. Por otra parte, las bacterias son muy distintas. En primer lugar, son más pequeñas, y en segundo lugar, ninguna de las estructuras que mencionamos antes se encuentra en ellas. Las bacterias están rodeadas por una sola membrana y en la mayoría de los casos están rodeadas, además, de una pared celular rígida. rígida. Toda la información información genética de estos organismos organismos está contenida en unos 2 000 a 3 000 genes, información que es muy pequeña comparada con la contenida en la célula de un animal superior. La cantidad de información genética en una célula eucarionte es varios cientos de miles de veces mayor que la de una bacteria. La distinción entre seres superiores y bacterias se definió inicialmente en términos de las pequeñas estructuras subcelulares que se podían observar con un microscopio de luz. A ese nivel de definición, las células parecían grandes y complejas o pequeñas y simples. Sin embargo, esta distinción se ha tratado de llevar a niveles biológicos básicos, o sea a las moléculas que conforman dicha célula. Ambos tipos de célula tienen procesos bioquímicos comunes, como, por ejemplo, los mecanismos mecanismos por medio de los cuales se transforma transforma la información información genética que contiene contiene el ADN en proteí proteínas nas;; sin embarg embargo, o, algunos algunos detall detalles es sobre sobre los mecanis mecanismos mos de estos estos proces procesos os son, o bien bien típica típicament mentee de los organis organismos mos superio superiores res,, o bien bien típica típicament mentee bacterianos. Estas diferencias y similitudes dieron la pauta para que pareciera evidente que el árbol de la vida tenía sólo dos ramas, la de las bacterias y la de los organismos superiores. Recientemente se han acumulado una serie de evidencias que indican que la relación evolutiva entre ambos reinos es más complicada de lo que se pensaba. Por ejemplo, dos organelos subcelulares, como las mitocondrias y los cloroplastos, contienen su propio ADN, aparte del que se encuentra en el núcleo. Ambos tipos de organelos subcelulares son del tamaño de una bacteria y el aparato que contienen, destinado al procesamiento de material genético, es muy similar al de las bacterias. Estas evidencias, entre otras, han llevado a pensar que tanto las mitocondrias como los cloroplastos descienden de los procariontes, y que quedaron atrapados dentro de una célula donde se desarrollaron, según propone la teoría endosimbiótica de la evolución (endo=interior, simbiosis=convivencia o relación). Esta teoría propone que la mitocondria era una bacteria respiratoria y el cloroplasto una bacteria fotosintética. Esta conjetura, que prevaleció durante más de cien años, fue comprobada para el caso de los cloroplastos y se logr logró ó comp compar aran ando do las las secu secuen enci cias as de base basess de una una molé molécu cula la de ARN (ácido ribonucleico), que resultaron estar íntimamente relacionadas con las de las bacterias fotosintéticas. Esto implica que por lo menos dos líneas descendientes de las bacterias están representadas en la célula de los organismos superiores. III.4 UN MODO DE VIDA DIFERENTE Con estos antecedentes podemos regresar al tema de las arqueobacterias. Cabe aclarar que hoy en día se conoce poco sobre las leyes biológicas que gobiernan a estos peculiares
microbios y que se trata de un campo en pleno desarrollo. El grupo de las arqueobacterias incluy incluyee tres tres tipos tipos de bacter bacterias ias:: metano metanogén génica icas, s, las que produ producen cen metano metano;; halófi halófilas las extremas, las que viven en medios salinos extremos, y termoacidófilas, las que subsisten en ambi ambien ente tess cali calien ente tess y ácid ácidos os.. De los los tres tres tipo tiposs las las que que pred predom omin inan an son son las las metanogénicas. En 1776 Alessandro Volta descubrió la existencia de lo que él llamó aire combustible, que se forma en las aguas estancadas de riachuelos y lagos, que tienen gran cantidad de sedimentos ricos en vegetación en proceso de descomposición. Sin embargo, el hecho de que que un micr microo oorg rgan anis ismo mo fuer fueraa el resp respons onsab able le de la prod producc ucció ión n de meta metano no (el (el gas gas comb combust ustib ible) le),, se desc descub ubri rió ó mucho mucho más más tard tarde. e. Las Las bact bacter eria iass meta metanog nogéni énica cass están están ampliamente ampliamente distribuidas distribuidas en la naturaleza naturaleza en sitios carentes carentes de oxígeno oxígeno y por esta razón es imposible encontrarlas a cielo abierto, ya que el oxígeno es altamente tóxico para estos organismos. Es posible que las bacterias metanogénicas existieran en casi cualquier sitio cuando la Tierra Tierra era aún joven, joven, ya que probab probablem lement entee las condic condicione ioness atmosf atmosféric éricas as eran eran más adecuadas para ellas. Hoy sólo se encuentran en sitios donde el oxígeno está ausente, y presente el hidrógeno y el bióxido de carbono (C02). También es frecuente encontrar a estas bacterias asociadas a otras como las del género Clostridium, que metabolizan la materia orgánica en descomposición y liberan al medio hidrógeno como producto de desecho. Este tipo de arqueobacterias, como ya mencionábamos, se encuentra en lugares donde hay agua estancada en putrefacción o en las plantas para el tratamiento de aguas negras. En la actualidad, el hombre ya las está aprovechando y se han podido obtener volúmenes suficientes de gas metano para ser utilizados industrialmente como combustible, hecho que que atra atraee la aten atenci ción ón de much muchos os cien cientí tífi fico cos, s, ya que que prop propon onee una una alte altern rnat ativ ivaa al agotamiento de los energéticos no renovables. Las metanógenas se encuentran también en uno de los estómagos de los rumiantes, en el que se degrada la celulosa, y en el tracto digestivo de la mayoría de los animales. También se pueden obtener del fondo de los océanos o de los manantiales de aguas termales, lo que demuestra que, a pesar de su intolerancia al oxígeno, se encuentran ampliamente distribuidas sobre la Tierra. Actualmente estas bacterias se mantienen, en condi condici cion ones es adec adecuad uadas as,, en va vari rios os labo labora rato tori rios os del del mundo mundo y son son utili utiliza zada dass en las las investigaciones sobre sus procesos metabólicos. Otro tipo de arqueobacterias son las halófilas extremas, que requieren concentraciones muy altas de sal para vivir. Su localización más común es en aguas que contienen cantidades saturantes de cloruro de sodio (sal). Se encuentran más comúnmente a lo largo de las costas y en aguas saturadas de sal como los grandes lagos salados o el Mar Muerto. Las halófilas extremas dan un color rojizo a la sal en los pozos de evaporación y son capaces de descomponer el pescado salado. Estas bacterias han llamado la atención de los microbiólogos básicamente por dos razones. La primera es que presentan mecanismos para mantener diferencias enormes en la concentración de iones, como el sodio o el cloro, entre el interior y el exterior de la célula, y utilizan estas diferencias de concentración para el transporte de sustancias hacia el interior o el exterior de la célula. En segundo lugar, lugar, estas bacterias bacterias tienen un sistema fotosintético fotosintético relativament relativamentee simple, ya que no se basa en la presencia de clorofila como en la molécula que capta la energía luminosa, sino en un pigmento presente en su membrana, llamado bacteriorrodopsina, que es muy similar a uno de los pigmentos que se encuentran en la retina del ojo. Dicho pigmento ha
sido muy estudiado y actualmente se conocen su estructura y su función con gran detalle, lo que que ha ay ayud udad ado o enor enorme meme ment ntee al av avan ance ce del del cono conoci cimi mien ento to de las las prot proteí eína nass membranales y sobre todo de aquellas proteínas que transforman la luz en energía química. El tercer tipo de arqueobacteria que se conoce es el de las termoacidófilas, que también se caracterizan por habitar en un nicho ecológico peculiar. Sulfolobus, uno de los dos géneros de termoacidófilas, se encuentra en los manantiales de aguas sulfurosas, y crece y se desarr desarrolla olla genera generalme lmente nte a temper temperatu aturas ras de aproxi aproximad madame amente nte 80°C, 80°C, y alguna algunass variedades lo hacen inclusive a temperaturas de 90°C. Otra característica particular de Sulfolobus es que el pH óptimo (la escala de pH se puede dividir en dos partes: 7.5 a 14, alcalino y de 7.5 a 0, ácido) para su crecimiento es muy ácido (generalmente pH = 2.0), si tomamos en cuenta que normalmente el pH adecuado para la vida es de 7.5. Así, se ve obligada a mantener en su interior un pH (el potencial hidrógeno = pH se refiere a la concentració concentración n de protones protones H+ en una una soluc solució ión) n) de apro aproxi xima mada dame ment ntee 7.5. 7.5. Pe Pero ro no solame solamente nte puede puede sobrev sobrevivi ivirr con estas estas difere diferencia nciass tan grande grandess de pH, sino que las aprovecha para importar nutrientes a su interior (Figura 14). Por algún tiempo se pensó que estos microorganismos tan peculiares se habían adaptado a nichos ecológicos distintos distintos y extremos, pero hoy en día se sabe que integran integran un nuevo grupo de microorganismos. El descubrimiento de un grupo nuevo de organismos es de gran importancia, ya que ayudará a revelar la historia del origen de la vida. Cuando solamente se conocían dos líneas a partir de las cuales se originarían todos los organismos vivientes, se hacía muy difí difíci cill la inte interp rpre reta taci ción ón de las las dife difere renc ncia iass que que las las sepa separa ran. n. Ha sido sido a part partir ir del del descubrimiento de una tercera línea de vida que la interpretación de las propiedades ancestrales y las recientemente adquiridas se ha hecho más equilibrada, ya que estas tres líneas de desarrollo son equidistantes entre sí. El descubrimiento de las arqueobacterias ha permitido el acercamiento a dos problemas de gran importancia. Uno de ellos es la naturaleza del antecesor común a todas las formas de vida y el otro se refiere a la incógnita sobre la evolución de la célula de los organismos superiores.
I V .
L O S
M I C R O B I O S A L H O M B R E
S E R V I C I O
D E L
Los microbios útiles para el hombre hombre constituyen constituyen solamente una proporción proporción muy pequeña pequeña de la amplia variedad variedad de especies especies que existe en la naturaleza. naturaleza. El papel papel que desempeñan desempeñan algunos de ellos en la fabricación de la cerveza, el pan y el vino fue descubierto en forma accidental hace mucho tiempo. Por ejemplo, la transformación que sufre el jugo de uva y la masa masa para ara hace hacerr el pan, pan, hoy hoy en día día se sabe sabe que que se debe debe a las las lev evaadura duras. s. Microorgani Microorganismos smos bien conocidos conocidos también lo son las bacterias bacterias que acidifican acidifican la leche o los hongos microscópicos que le confieren su carácter tan particular a los quesos. A estos tres grup grupos os de micr microor oorga ganis nismo moss hay hay que que agre agrega garr los los acti actino nomi micet cetos os,, que que son son hongos hongos fila filame ment ntoso ososs que que vive viven n en la tier tierra ra y que que se han han util utiliz izad ado o para para la prod producc ucció ión n de antibióticos a partir del decenio de los años 40 del presente siglo. Es difícil clasificar a los microorganismos en útiles y no útiles, o en buenos y malos, ya que todos participan participan en el reciclaje reciclaje de las moléculas moléculas del mundo orgánico orgánico y también en la conservación de una parte de la ecología; de tal forma que los microbios no sólo son
útiles sino indispensables para la vida como la conocemos actualmente. Algunos son nocivos para los animales o plantas pero, en proporción, son muy pocos. Existe un buen número de microorganismos que está siendo utilizado en la industria. Esto se debe a que producen un compuesto de alto valor que no puede ser obtenido de una manera manera tan sencilla sencilla o tan económica por las técnicas técnicas químicas químicas usuales. En algunos otros casos, los microorganismos son cultivados por su valor intrínseco, como es el caso de la levadura levadura de panadería. panadería. Sin embargo, en la mayoría de los casos la sustancia sustancia buscada es un producto de su metabolismo, como es el caso del alcohol o algún antibiótico, por ejemplo.
Figura 17 (a) Los hongos y las levaduras son microorganismos que forman estructuras visibles y en ocasiones muy coloridas. Varios de estos microorganismos microorganismos producen sustancias de interés en la industria, industria, como la cerveza, el sake y hasta colorantes biológicos
Figura 17 (b) Hongos: 1. Penicillium chrysogenum 2. Monascus purpurea 3. Penicillium notatum 4. Aspergillus niger 5. Aspergillus oryzae . Levaduras: 1. Saccharomyces cerevisiae 2. Candida utilis 3. Aureobasidium pullulans 4. Trichosporon cutaneum 5. Saccharomycopsis capsularis 6. Saccharomycopsis Saccharomycopsis lipolytica 7. Hanseniaspora Hanseniaspora guilliermondii guilliermondii 8. Hansenula capsulata 9. Saccharomyces carlsbergensis 10. Saccharomyces Saccharomyces rouxii 11. Rhodotorula rubra 12. Phaffia rhodozyma 13. Cryptococcus laurentii 14. Metschnikowia pulcherrima 15. Rhodotorula pallida.
IV.1 LA VIDA CON O SIN OXÍGENO Los microorganismos se pueden dividir en tres grupos dependiendo del ambiente que necesitan para vivir. El primer grupo lo forman los organismos aeróbicos estrictos, que son aquellos que no pueden tener actividad metabólica ni crecer más que en presencia de oxígeno. El segundo grupo reúne a los organismos anaeróbicos estrictos, que llevan a cabo su actividad metabólica y crecimiento en ausencia total de oxígeno atmosférico. El terc tercer er grup grupo o está está const constit ituid uido o por por los los orga organis nismo moss ae aeró róbi bicos cos facu facult ltat ativ ivos, os, los los cuale cualess presentan actividad metabólica en presencia de oxígeno (respiración) y en ausencia de oxígeno (fermentación) dependiendo del medio en el que se encuentren. De los microorganismos aeróbicos estrictos podemos mencionar a los estreptomicetos, que son hongos hongos micros microscóp cópicos icos produc productor tores es de antibi antibióti ótico. co. También También son aeróbi aeróbicos cos la mayo mayorí ríaa de los los hong hongos os fila filame ment ntoso osos, s, como como el Penicillum Penicillum notatum, notatum, prod product uctor or de la penicilina. Los organismos anaeróbicos estrictos están representados por las bacterias del género Clostridium, como Clostridium botulinum, fuente de la toxina productora de la enfermedad conocida como botulismo. Otro ejemplo es la Salmonella tryphi, causante de muchas infecciones intestinales en el ser humano. Las levadur levaduras as industr industrial iales es son microo microorga rganis nismos mos facult facultati ativos vos que pueden pueden respir respirar ar o ferm fermen enta tarr de acue acuerd rdo o con con las las cond condic icio ione ness en que que se les les cult cultiv ive. e. El meta metabo bolilism smo o anaeróbico, como la fermentación, es menos eficiente que la respiración, ya que la primera no aprovecha toda la energía de las moléculas como los azúcares. Algunos productos, como por ejemplo el alcohol etílico, son excretados por la levadura como prod produc ucto to de dese desech cho, o, ya que que en ause ausenci nciaa de oxíge oxígeno no este este prod product ucto o no pued puedee ser ser aprovechado en su totalidad. Las vías bioquímicas de la fermentación fermentación que conducen a la formación de productos productos útiles son son diver diversa sas. s. Estas Estas vías vías son son de dos dos tipo tipos: s: las las homo homofe ferm rmen enta tari rias as,, que que son son las las que que conducen a un producto principal, y las heterofermentarias que dan dos o más productos. Así pues, algunos bacilos son homofermentarios y producen ácido láctico a partir de azúcares; azúcares; por otra parte, existen otros bacilos lácticos heterofermentari heterofermentarios os que producen ácid ácido o láct láctic ico, o, alco alcohol hol etíli etílico co y gas gas carb carbón ónic ico o por por dife difere rent ntes es vías vías meta metaból bólic icas as.. Otro Otro organismo heterofermentario es el Clostridium aceto butylicum, que transforma la glucosa en una mezcla de acetona, alcohol etílico, isopropanol y butanol. Por otra parte, el crecimiento aeróbico que llevan a cabo algunos microorganismos es más eficiente para la producción de biomasa (número de organismos obtenidos a partir de una cantidad dada de nutrientes), ya que estos organismos degradan completamente las moléculas moléculas nutritivas nutritivas y les extraen el máximo de energía. Esto quiere decir que si la meta de la producción industrial es mejorar los sistemas de obtención de grandes cantidades de organismos, como es el caso de la levadura destinada a la panadería, es ventajoso trabajar con el organismo en condiciones aeróbicas ya que de esta forma se utilizan los sustratos al máximo por respiración y por lo tanto se obtendrán muchas más levaduras por cantidad de nutrientes. IV.2 LA MANIPULACIÓN GENÉTICA Una forma de obtención de compuestos orgánicos a partir de organismos aeróbicos es mediante la manipulación genética, esto quiere decir que se pueden modificar, a través de camb cambio ioss o muta mutaci cione oness de los gene genes, s, los los meca mecanis nismo moss por por medi medio o de los los cuale cualess los los organismos transforman los nutrientes en las miles de moléculas que constituyen una
célula viviente. En condiciones metabólicas normales, cada uno de los constituyentes necesarios para la célula se fabrica en cantidades justas y suficientes. Esta fabricación controlada se lleva a cabo gracias a una serie de mecanismos de regulación genética que detienen la fabricación de intermediarios y de productos finales de una vía metabólica dada. dada. Los microbiólogos microbiólogos han seleccionado seleccionado colonias o cepas de bacterias mutantes en las que esta regulación tan fina se encuentre alterada, de tal forma que convenga para ciertos fines. Por ejemplo, algunos metabolitos primarios, que son necesarios para el crecim crecimien iento to celular celular,, son produci producidos dos en cantid cantidad ades es necesa necesaria riass para para la fabric fabricaci ación ón de molé molécu cula lass util utiliz izad adas as por por la célu célula la.. Una Una muta mutant ntee inte intere resa sant ntee es Corynebacterium glutamicum, defectuosa en su mecanismo de regulación para la producción de lisina, un aminoácido necesario para la síntesis de algunas proteínas, capaz de producir 50 gramos de lisina por litro de medio de cultivo. Este tipo de metabolito es considerado como primario y la mutante lo produce en exceso. Generalmente, las bacterias mutantes se separan de las silvestres haciéndolas crecer en un medio de cultivo en donde solamente dichas mutantes sobreviven. Para ello se incluyen en el medio antibióticos que impiden el crecimiento de las silvestres y no afectan a las mutantes. Son considerados metabolitos secundarios aquellos que no se requieren en la biosíntesis celular. Algunos microorganismos los sintetizan en la fase tardía de su crecimiento por razones razones hasta el momento momento oscuras. Uno de los casos más conocidos son los antibióticos antibióticos;; esto estoss meta metabo bolit litos os secun secunda dari rios os no desem desempe peña ñan n un pape papell dire direct cto o en el metab metaboli olism smo o energético de la célula o en su crecimiento. Por estas razones se piensa que estas sustan sustancia ciass contri contribuy buyen en a la sobrev sobreviven ivencia cia del organi organismo smo al inhibir inhibir el crecim crecimient iento o de posibles posibles competidores competidores que podrían ocupar el mismo nicho ecológico. Los organismos organismos que producen este tipo de metabolitos secundarios son sensibles a sus propios antibióticos durante durante la fase inicial de crecimiento, sin embargo, durante durante la fase en la cual secretan el antibiótico, son insensibles a su presencia. Otra clase de sustancias importantes para la industria son las enzimas. Hasta la fecha no ha sido posible sintetizar una enzima en el laboratorio y su aislamiento puede ser un trabajo largo y de bajo rendimiento. Por otra parte, los microorganismos dependen de las enzi enzima mass para para la degr degrad adac ación ión de las las molé molécul culas as comp comple leja jas. s. Las Las bact bacter eria iass sola solame ment ntee producen la cantidad necesaria de enzimas, de la misma forma que otros productos del metabolismo. Sin embargo, por medio de las técnicas de ingeniería genética se pueden seleccionar microorganismos mutantes que sobreproduzcan alguna enzima en particular. Un método para incrementar la síntesis de una enzima es el de inducción. Cada enzima tiene su huella genética en la secuencia de una molécula de ADN. A esta secuencia se le denomina gene estructural y, en una bacteria, se encuentra en el único cromosoma que ésta posee. Los genes estructurales con la información para la síntesis de una enzima están normalmente inactivos en ausencia del sustrato para dicha enzima. Por lo tanto, se dice que está reprimida la producción de una enzima y solamente cuando se agrega el sustrato requerido, o un análogo, el gene estructural es activado y dicha enzima es sintetizada, proceso al que se denomina desrepresión o inducción, y a las enzimas que responden se les llama inducibles, para distinguirlas de las que no son afectadas por la presencia del sustrato y que se denominan constitutivas. En algunos casos el inductor puede ser el producto de una reacción enzimática. Un ejemplo de esta situación es la enzima glucamilasa del hongo Aspergillus niger, la cual se encarga de romper la cadena de azúcares que componen al almidón en moléculas de glucosa. Sin embargo, para inducir la síntesis de glucamilasa no es necesario que el almidón se encuentre presente en el medio, ya que algunos análogos que son malos como sustratos son potentes inductores de la enzima. Gracias a estos métodos, se ha podido sobreproducir sustancias de gran importancia para la industria y para la medicina.
IV.3 LA INDUSTRIA Y SUS PEQUEÑOS ALIADOS Las levaduras fueron explotadas durante miles de años para la elaboración de bebidas alcohólicas y de pan. Esto ocurrió antes de que se identificara a las levaduras como un microo microorga rganism nismo o y de que se conocier conocieraa la verdad verdadera era natura naturaleza leza de la ferment fermentaci ación. ón. Antonie van Leeuwenhoek fue el primero primero en observar observar la presencia presencia de las levaduras levaduras en la fermentació fermentación n de la cerveza. cerveza. Casi 200 años después, después, en 1876, Louis Pasteur presentó sus ideas sobre la fermentación en una obra clásica titulada Études sur la Bière ("Estudios sobre la cerveza"), en la cual postula que los microorganismos que viven en condiciones anaeróbicas son capaces de crecer y vivir sustituyendo al proceso de respiración por la fermentació fermentación. n. Este proceso convierte convierte azúcares azúcares en alcohol y bióxido bióxido de carbono, carbono, y provee a las levaduras con la energía necesaria para su subsistencia. Este científico propuso además que cuando se cultivan las levaduras en presencia de oxígeno, el proceso de fermentación se detiene y es sustituido por la respiración o consumo de oxígeno, proceso que sí degrada el azúcar hasta CO 2 y agua y no produce alcohol. La fermentación es muy importante socialmente, ya que mediante ella se producen las bebidas alcohólicas que han tenido un papel importante en la historia. El vino, por ejemplo, es el producto de la fermentación del jugo fresco de frutas, de las cuales tal vez la más popular sea la uva, aunque también se usa ocasionalmente la pera, el higo y algunos cereales. Estos jugos son generalmente ácidos (tienen un pH de aproximadamente 5), lo cual es favorable para que se lleve a cabo la llamada fermentación alcohólica. La "infección" del jugo ocurre inmediatamente. Pasteur fue el primero en mostrar que hay levaduras en la cáscara de la uva y sobre todo cuando está próxima a madurar. Dichas levaduras forman grandes colonias en los puntos donde se lesiona la fruta y hay salida de jugo. Por otra parte, los insectos son un factor muy importante en este proceso, ya que diseminan las levaduras entre la fruta. Este hecho se conoció cuando Wortmann observó cómo un jugo estéril no se fermentaba, y no fue hasta que una avispa lo tocó que el jugo empezó a fermentarse.
Figura 18. Las levaduras que son microorganismos con núcleo han sido aliados importantes para la alimentación del hombre a lo largo de su historia.
En la superficie de las uvas se encuentra la levadura conocida como Saccharomyces, que es el principal género responsable de la fermentación. Durante la fermentación alcohólica las las levad levadur uras as conv convie iert rten en en alcoh alcohol ol la dext dextro rosa sa y la fruct fructosa osa,, dos dos azúc azúcar ares es que que se encuentran encuentran en el jugo de la fruta. La concentración concentración que alcanza el alcohol es de 14%, ya que a esta concentración tanto la fermentación como el crecimiento de la levadura se detiene. De esta manera, el vino contiene una concentración limitada de alcohol; por otra parte, su sabor y aroma se deben principalmente al contenido de amil-alcohol, ácido acético, ácido láctico y acetato etílico, siendo todas estas sustancias importantes en la calidad del producto. Los azúcares más comúnmente utilizados por las levaduras durante su crecimiento son la glucosa y la fructosa, que contienen 6 átomos de carbono. Sin embargo, existen otros compuestos con mayor o menor número de átomos de carbono y que son de interés en algunas industrias. Estos azúcares diferentes pueden a su vez ser metabolizados por alguna algunass levadur levaduras. as. Por ejempl ejemplo, o, la levadur levaduraa Candida Candida utilis, la cual se emplea en la industria industria alimentaria, alimentaria, puede crecer metabolizando metabolizando azúcares azúcares de cinco átomos de carbono carbono (pentosas); esto permite que crezcan en un producto colateral de la industria del papel que es preci recisa same ment ntee un azúc azúcar ar de cinc cinco o átom átomos os de car carbono bono.. Otr Otra lev evad adur ura, a, Saccharomycopsis lipolytica, puede romper cadenas lineales de hidrocarburos de 10 a 16 átom átomos os de carb carbon ono; o; ex exist istee una insta instala laci ción ón pilot piloto o que que ha logr lograd ado o hace hacerr crece crecerr esta esta levadura con buenos resultados en presencia de una fracción purificada de petróleo, el cual, como se sabe, es un hidrocarburo. Esta levadura, al crecer, produce ácido cítrico como producto de desecho, el que a su vez es utilizado en otra serie de procesos industriales. Asimismo, una variedad limitada de levaduras puede crecer en presencia de metanol (un alcohol con un solo átomo de carbono), esto es posible ya que tales levaduras llevan a cabo un proceso metabólico novedoso que involucra unos organelos especializados llamados microcuerpos. Lo anterior se ha aprovechado, ya que el cultivo utilizando metanol es muy barato y la producción de biomasa de las levaduras es tan abundante que se utiliza como complemento para la alimentación de animales. Otra Otra leva levadu dura ra que que ha sido sido útil útil desd desdee tiem tiempo poss remo remoto toss es la cepa cepa deno denomi mina nada da Saccharomyces cerevisiae. Esta ha sido utilizada en la elaboración de vino, sake, cerveza y, hoy en día, para la producción industrial de alcohol.
Una aplicación interesante es la que se le está dando a otra especie, Phaffia rhodozyma, que produc producee un pigmen pigmento to especia especiall llamad llamado o astaxa astaxanti ntina. na. Esta molécul moléculaa está siendo siendo probada para añadirla en forma complementaria al alimento de las truchas y salmones de criadero. Como estos peces pierden el color rosado que presenta su carne cuando crecen en su hábitat natural, la astaxantina da a la carne de estos peces nuevamente su color rosado. Otros tipos de productos metabólicos de los cuales se obtienen grandes volúmenes a partir de cultivos de microorganismos son el dextrán y la goma xántica. El dextrán es una cade cadena na de moléc molécul ulas as de gluc glucosa osa que que se util utiliz izaa como como comp complem lement ento o del del plas plasma ma en enfermos graves o bien como mallas moleculares al entrecruzar sus cadenas para separar compuestos compuestos en el laboratorio laboratorio con base en su tamaño. La goma xántica, xántica, que es adecuada adecuada para el cons consum umo o huma humano no,, se agreg gregaa en algu alguno noss prod roducto uctoss alime liment ntic icio ioss como como estabilizador. También tiene uso en la impresión de textiles, en la excavación de pozos, como aditivo y en la elaboración de cosméticos y productos farmacéuticos. Los Los hongo hongoss micr microsc oscóp ópic icos os tien tienen en una una gran gran impor importa tanc ncia ia econó económi mica ca,, tant tanto o por por sus sus beneficios como por el daño que pueden causar. Una gran parte de la materia orgánica de la tierra es destruida por los hongos. Esta actividad, por ejemplo, es benéfica, ya que completa completa el reciclaje reciclaje de la materia viviente. Los hongos pueden, pueden, sin embargo, embargo, causar un gran número de enfermedades tanto en las plantas como en los animales: pueden, entre otras cosas, envenenar la comida. Por ejemplo, el hongo Claviceps purpurea produce una serie de sustancias venenosas (alcaloides) y parasita a las plantas que come el ganado. Cuando el ganado consume alimento contaminado se producen abortos en las hembras, enfermedad que se conoce como ergotismo. En el humano la toxina produce alucinaciones y en ocasiones la muerte. Otro tipo de toxinas son las aflatoxinas, que se producen al almacenar el heno o alimento a base de cacahuate en condiciones impropias; el hongo llamado Aspergillus Aspergillus flaws las produce produce como como metabo metabolit lito o secunda secundario rio y son altame altamente nte tóxicas. Los efectos nocivos de los hongos microscópicos están balanceados por su multitud de usos en la industria. Así se emplean en algunos procesos de fermentación, como por ejemplo el almidón del arroz que es degradado para producir sake, un licor elaborado principalmente en Japón; la fermentación combinada de frijol de soya, arroz y malta da lugar a algunos alimentos orientales como el miso, el shoyu y el tempeh. Algunas enzimas provenientes provenientes de ciertos hongos tienen usos comerciales importantes, importantes, como por ejemplo: las amilasas (degradan almidón), las proteasas (degradan proteínas) y las pectinasas (degradan pectina). Algunas especies de hongos producen agentes antibióticos, entre los cual cuales es desta destaca ca la peni penicil cilin ina. a. Esta Esta sust sustan anci ciaa marc marcó ó una époc épocaa impo import rtan ante te para para la humanidad, ya que permitió el control de las enfermedades infecciosas.
Figura Figura 19. Bacillus Bacillus brevis brevis es un microb microbio io muy muy útil, útil, produc produce e el antibi antibióti ótico co conoci conocido do como como gramicidina S, comúnmente utilizado en el tratamiento de numerosas enfermedades infecciosas
Figur Figura a 20. 20. Los hongo hongoss tambi también én son son produc producto tores res de antibi antibióti óticos cos.. La foto foto muest muestra ra al hongo hongo Cephalosporium acremonium que produce la cefalosporina.
De gran importancia para la industria alimentaria son algunas levaduras le vaduras y hongos. Existen varios ejemplos, como la salsa de soya, la cual se obtiene utilizando a la levadura Saccharomyce Saccharomycess rouxii; rouxii; la prod producc ucció ión n de cerv cervez ezaa util utiliz izaa la levad levadur uraa Saccharomyces carlsbergensis y algunos otros tipos de levaduras son utilizadas para la producción de vino. Ejemplos de bacterias importantes en la industria son los que se dan a continuación: la industr industria ia alimen alimentar taria ia aprovec aprovecha ha la bacter bacteria ia Lactobacillu Lactobacilluss bulgaricus bulgaricus (búlg (búlgar aros os)) o el Streptococc Streptococcus us thermophilus thermophilus para para la elab elabor orac ació ión n de yogh yoghur urt; t; el vina vinagr gree pued puedee ser ser producido por la bacteria Gluconobacter suboxidans; algunos saborizantes provienen de una bacteria conocida como Connebacterium glutamicum.
La indus industr tria ia quím químic icaa prod produc ucee acet acetona ona y buta butanol nol a part partir ir de la bact bacter eria ia Clostidium acetobutylicum, algunos polisacáridos (azúcares) a partir de la bacteria Xanthomonas campestris algunas vitaminas como por ejemplo la B 12 es producida por la bacteria Pseudomonas denitrificans o el Propionibacterium. La industria farmacéutica fabrica un buen número de antibióticos; Streptomyces, por ejemplo, produce la anfotericina B, la kanamicina, la neomicina, la estreptomicina, las tetraciclinas, entre otras y Bacillus brevis produce la gramicidina S. Otro caso interesante es el de la producción de insecticidas biológicos. Éstos, los producen dos bacterias, Bacillus Bacillus thuringiensis thuringiensis y el Bacillus popilliae, y tienen la ventaja de tener menos efectos nocivos que los insecticidas sintéticos como el DDT. Pueden, entre otros usos, emplearse en los silos donde se almacenan granos. Otra serie de productos, como la insulina, la hormona de crecimiento y el interferón, pueden ser obtenidos mediante técnicas de ingeniería genética utilizando la bacteria Escherichia coli. Así pues, la industria microbiológica se encuentra, al inicio de una era importante en donde se sustituirán probablemente muchos procesos tradicionales por otros novedosos que serán sin duda más eficaces y menos costosos.
Figura 21. Una levadura en proceso de división, vista al microscopio de barrido de electrones.
L a
m i c r o b i o l o g í a
e n
f o t o g r a f í a s
Figura 1. Antonie van Leeuwenhoek inventor del microscopio y el primer hombre que observó los microorganismos
Figura 2. Lazzaro Spallanzani (1729-1799). Fisiólogo italiano, uno de los primeros investigadores de la vida microscópica.
Figur Figura a 3. Louis Louis Pasteu Pasteurr es el cread creador or de la microb microbiol iologí ogía. a. Estu Estudió dió las las ferment fermentac acion iones, es, las enfermedades contagiosas, contagiosas, la asepsia y descubrió la vacuna contra la rabia
Figura 4. Portada de uno de los trabajos básicos de Pasteur.
Figura 5. Cultivo de Mycoderna vini efectuado por Pasteur.
Figura 6. El moho reacciona así al ser sometido a una atmósfera de aire enrarecido.
Figura 7. El médico alemán Robert Koch descubrió el bacilo de la tuberculosis.
Figura 8. Ylia Metchnikoff, microbiólogo ruso que ganó el premio Nobel por su descubrimiento descubrimiento de los fagocitos.
Figur Figura a 9. Cultiv Cultivo o de bacte bacteria riass fotosi fotosint ntéti éticas cas.. Estas Estas bacte bacteria riass se mant mantien ienen en en condic condicion iones es controladas de luz y temperatura y son capaces de reproducirse en grandes cantidades. En la fotografía aparecen un cultivo líquido y un cultivo sólido, en donde se mantienen las capas, libres de la contaminación contaminación de otros microorganismos.
Figur Figura a 10. 10. De los microo microorga rganis nismo moss se obtien obtienen en div divers ersas as sust sustanc ancias ias de utili utilida dad d varia variada da.. Su aislamiento aislamiento se lleva a cabo por medio de técnicas bioquímicas convencionales. convencionales.
Figura 11. Los cultivos en gran escala e scala deben siempre estar libres de posibles contaminaciones. contaminaciones. Así, pues pues,, se prue prueba ban n medi medios os de cult cultiv ivo o adec adecua uado doss para para obte obtene nerr las las mejo mejore ress cond condic icio ione ness de crecimiento.
Figu Figura ra 12. 12. Hoy Hoy en día día la tecn tecnol olog ogía ía es una una herr herram amie ient nta a muy muy útil útil en el desa desarro rroll llo o de la microbiología. Así, se han creado industrias dedicadas a apoyar la instrumentación necesaria para el estudio de los microorganismos
Figura 13. Los avances se basan en las técnicas básicas que fueron desarrolladas por los pioneros de la microbiología. Hoy en día se siguen aplicando sus conocimientos sobre la esterilidad de un cultivo y cómo preservarla.
C O N T R A P O R T A D A El eminente científico francés Louis Pasteur escribió que si los organismos más pequeños y aparentemente menos útiles, esto es, los microorganismos, fueran suprimidos, la vida se volvería imposible ya que el regreso a la atmósfera y al reino mineral de todo lo que dejó de vivir —el proceso de biodegradación— sería bruscamente suprimido. El doctor Georges Dreyfus se aboca en el presente libro al desarrollo de algunas áreas del conocimiento de los microorganismos, destacando aquellos temas que interesan al lector ajeno a la microbiología. Logra un trabajo cuya lectura es amena y fluida sobre un tema en apariencia árido y de interés sólo para el especialista, provocando el interés por conocer un mundo que es tan vasto como el Universo. El camino recorrido por la microbiología es largo. Ya doscientos años antes de nuestra era el romano Varro consideraba la posibilidad de que el contagio de ciertas enfermedades se debía a "criaturas invisibles suspendidas en el aire" y, a lo largo de siglos, tal idea fue consid considera erada da por divers diversos os estudios estudiosos. os. Sin embarg embargo, o, el simple simple razona razonamie miento nto sobre sobre la existencia de los microbios no probaba su existencia, la que sólo pudo ser demostrada gracias al descubrimiento del microscopio, "el instrumento que abrió las puertas de otro universo" y cuya invención se debe al holandés Antonie van Leeuwenhoek. Como es frecuente, el descubrimiento de los microorganismos, aunque provocó interés, no cambió los los esqu esquem emas as de pens pensam amie ient nto o que que favo favore recí cían an ento entonce ncess la teor teoría ía de la gene genera raci ción ón espontánea, según la cual se podían crear animales a partir de una "fuerza vital", teoría que fue finalmente aniquilada por Louis Pasteur. En nuestro tiempo los microorganismos son tomados muy en serio, al grado que se ha creado una ciencia encargada de su estudio. En principio, su adaptabilidad los ha hecho sobrevivir en condiciones en extremo diferentes de las que prevalecen actualmente, las que existían en la Tierr erra hace millon lones de año. ño. Además, gran parte de los microorganismos no es nociva para el hombre, al contrario, como se verá en este libro, es prometedora para la industria y la conservación del medio ambiente.
Georges Dreyfus es Investigador Nacional e investigador titular del Departamento de Bioenergética del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM. Hizo su maestría y doctorado con los doctores René Drucker y Marietta Tuena. Realizó además su posdoctorado en Grenoble, Francia. Se dedica ahora al estudio de la estructura de la ATP sintetasa y la función de esta enzima en las mitocondrias y las bacterias fotosintéticas. En la portada: Cultivo líquido del hongo Calcarisporium arbuscula. Laboratorio del autor. Diseño: Carlos Haces/Fotografía: Carlos Franco
