Microbiologia y genetica La fermentación penicilina Historia y evolucion
La Microbiologia el estudio de los organismos microscópico...
LA MICROBIOLOGIA



I.- GENERALIDADES


Microbiología, el estudio de los organismos microscópicos, deriva de 3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios (vida) y logos (ciencia) que conjuntamente significan el estudio de la vida microscópica.

Para mucha gente la palabra microorganismo le trae a la mente un grupo de pequeñas criaturas que no se encuadran en ninguna de las categorías de la pregunta clásica: ¿ es animal, vegetal o mineral ? Los microorganismos son diminutos seres vivos que individualmente son demasiado pequeños como para verlos a simple vista. En este grupo se incluyen las bacterias, hongos (levaduras y hongos filamentosos), virus, protozoos y algas microscópicas.

Normalmente tendemos a asociar estos pequeños organismos con infecciones, enfermedades como el SIDA, o deterioro de alimentos. Sin embargo, la mayoría de los microorganismos contribuyen de una forma crucial en el bienestar de la Tierra ayudando a mantener el equilibrio de los organismos vivos y productos químicos en nuestro medio ambiente: Los microorganismos de agua dulce y salada son la base de la cadena alimentaria en océanos, lagos y ríos; los microorganismos del suelo destruyen los productos de desecho e incorporan el gas nitrógeno del aire en compuestos orgánicos, así como reciclan los productos químicos en el suelo, agua y aire; ciertas bacterias y algas juegan un papel importante en la fotosíntesis, que es unproceso que genera nutrientes y oxígeno a partir de luz solar y CO2 siendo un proceso crítico para el mantenimiento de la vida sobre la Tierra; los hombres y algunos animales dependen de las bacterias que habitan en sus intestinos para realizar la digestión y síntesis de algunas vitaminas como son la K y algunas del complejo B. Los microorganismos también tienen aplicaciones industriales ya que se utilizan en la síntesis de productos químicos como son acetona, ácidos orgánicos, enzimas, alcohol y muchos medicamentos.

El proceso de producción de acetona y butanol por bacterias fue descubierto en 1914 por Chaim Weizmann, un polaco que trabajaba en Inglaterra para Winston Churchill. Cuando estalló la primera guerra mundial en agosto de ese año, la producción de acetona era esencial en el proceso de fabricación de las municiones, por lo que el descubrimiento de Weizmann jugó un papel determinante en el desarrollo de la guerra. Después de la guerra, rehusó todos los honores que le propuso el gobierno británico. Sin embargo, utilizó su influencia para que el gobierno británico ayudara a establecer el estado judío en Palestina.

En 1949, Weizmann fue elegido el primer presidente de Israel. La industria alimentaria también usa microorganismos en la producción de vinagre, bebidas alcohólicas, aceitunas, mantequilla, queso, yogurt y pan. Además, las bacterias y otros microorganismos ahora pueden ser manipulados para producir sustancias que ellos normalmente no sintetizan. A través de esta técnica, llamada ingeniería genética, las bacterias pueden producir importantes sustancias terapéuticas como insulina, hormona de crecimiento humana e interferón.

Actualmente sabemos que los microorganismos se encuentran en todas partes; pero hace poco, antes de la invención del microscopio, los microorganismos eran desconocidos para los científicos. Miles de personas morían en las epidemias cuyas causas no se conocían. El deterioro de los alimentos no se podía controlar siempre y muchas familias enteras morían debido a que no existían vacunas y antibióticos disponibles para combatir las infecciones. Nosotros podemos hacernos una idea de como se han desarrollado nuestros actuales conceptos de microbiología repasando los acontecimientos históricos que han cambiado nuestras vidas.



II.- DESARROLLO HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA


Aunque los microorganismos se originaron hace aproximadamente 4.000 millones de años, la microbiología es relativamente una ciencia joven. Los primeros microorganismos se observaron hace 300 años y sin embargo pasaron unos 200 años hasta que se reconoció su importancia.


Primeras observaciones de los microorganismos (Leeuwenhoek y sus microscopios)

La existencia de los microorganismos no se conoció hasta la invención del microscopio. La primera persona en describir los microorganismos en detalle fue el holandés Antony van Leeuwenhoek en 1684, a los cuales denominó animáculos. Leeuwenhoek examinó el agua de lluvia, de mar, de río, saliva y otras materias. Sin embargo, estas observaciones no condujeron a ninguna investigación acerca de las posibles actividades de los microorganismos, ni como agentes de fermentaciones ni de enfermedades infecciosas ya que el desarrollo de la química y de la medicina era demasiado primitivo.


Origen de los microorganismos (Teoría de la generación espontánea)

Una vez descubiertos los microorganismos por Leeuwenhoek se empezó a especular sobre el origen de estos animáculos. Se formaron dos escuelas. Una de ellas admitía la existencia de estas estructuras pero apoyaban la teoría que provenían de la descomposición de los tejidos de las plantas o animales (eran el resultados de la descomposición y no la causa). Los que apoyaban esta teoría creían que la vida se generaba a partir de matería no viva, proceso que se denominó abiogénesis.

Básicamente era el concepto de la generación espontánea. Del otro lado estaba la teoría de la biogénesis. Los animáculos se originaban, como ocurre en formas de vida superiores, a partir de animáculos padres. Hasta que se rechazó la idea de la generación espontánea se tuvieron que realizar muchos experimentos que parecen simples hoy en día, pero que en aquellos momentos llevó más de 100 años resolver dicha controversia.

La idea de la generación espontánea se remonta a la cultura griega, los cuales creían que las ranas y gusanos crecían espontáneamente a partir del lodo. Incluso existían recetas: llenando una tinaja con trapos y colocándola en un sitio apartado durante semanas al final crecían ratones a partir de los trapos. En el siglo XVII el italiano Francesco Redi demostró en 1668 que los gusanos encontrados en la carne podrida eran las larvas que provenían de los huevos que previamente habían depositado en la carne las moscas y no el producto de la generación espontánea. Sin embargo una cosa eran los huevos de moscas y otra los microorganismos que sólo se podían ver con la ayuda del microscopio.

En 1745 John Needham hirvió trozos de carne para destruir los organismos preexistentes y los colocó en un recipiente abierto. Al cabo de un tiempo observó colonias de microorganismos sobre la superficie y concluyó que se generaban espontáneamente a partir de la carne. En 1769, Lazzaro Spallanzani repitió el experimento pero tapando los recipientes, no apareciendo las colonias, lo que contradecía la teoría de la generación espontánea. Pero Needham argumentó que el aire era esencial para la vida incluída la generación espontánea de microorganismos y este aire había sido excluido en los experimentos de Spallanzani.

Unos 100 años después, en 1836 Franz Schulze pasó el aire a través de unas soluciones ácidas fuertes hacia el interior de un recipiente con carne hervida. Al año siguiente Theodor Schwann pasó el aire a través de tubos calientes. Los microorganismos no aparecían en ningún caso ya que los microorganismos presentes en el aire habían sido aniquilados. Sin embargo, los que apoyaban la generación espontánea comentaban que el ácido y el calor alteraban el aire de tal manera que impedía la generación espontánea de los microorganismos.
Sin embargo fue Louis Pasteur el que zanjó definitivamente la controversia en 1864 al utilizar matraces con un tubo largo y curvado llamados cuello de cisne. El aire pasaba libremente a través del cuello, pero los microorganismos no aparecían en la solución ya que las partículas de polvo y microorganismos sedimentaban en el recodo del cuello. Estos experimentos de Pasteur promovieron el reconocimiento de la biogénesis. Posteriormente Pasteur empezó a estudiar el papel de los microorganismos en la producción de vino y como causa de enfermedades.


La fermentación como proceso biológico (Pasteur y el vino francés)

Sin duda desde la Prehistoria los hombres utilizan con provecho las fermentaciones. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos egipcios, así como representaciones gráficas en todo el Próximo Oriente atestiguan que el hombre recurría a la fermentación para fabricar bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Jesucristo. Al preparar el pan, vino, cerveza o sake, los egipcios, sumerios y todas las personas hasta mediados del Siglo XIX, empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, una familia de agentes biológicos muy originales: las levaduras. Son ellas las que realizan la fermentación alcohólica.

El papel de las levaduras como agentes fermentadores no fue reconocido hasta 1856 por Luis Pasteur. Las teorías científicas de esa época reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como compuestos químicos complejos, sin vida. Esta era la teoría mecanística liderada por los químicos alemanes von Liebig y Wöhler. Luis Pasteur, químico francés, propuso la teoría vitalística y demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas; durante dicha fermentación el azúcar presente en el mosto es convertido principalmente en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.

En el verano de 1856 M. Bigo, un fabricante de alcohol en la ciudad de Lille, en el norte de Francia, sufría repetidos fracasos en las fermentaciones de sus productos. En este proceso intervenía la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero una y otra vez el contenido de las tinajas se agriaba y al final en lugar de alcohol, se obtenía una sustancia que despedía un olor parecido a la leche agria. Sucedió que el hijo de M. Bigo estudiaba en la Facultad de Ciencias cuyo decano era Pasteur. M. Bigo, a través de su hijo, preguntó a Pasteur si estaría dispuesto a investigar los fracasos que estaban ocurriendo con sus fermentaciones, a lo que Pasteur accedió iniciando el estudio en los laboratorios de la Facultad. En primer lugar sometió a análisis químico el contenido estropeado de las tinas llegando a la conclusión de que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de etanol.

El siguiente paso fue el examen de los sedimentos de las tinas en las que la fermentación había sido satisfactoria y el de aquellas que habían fallado. La comparación de los dos sedimentos reveló una clara diferencia: en los sedimentos procedentes de las tinas que habían producido alcohol había levaduras; en los procedentes de las tinas productoras de ácido láctico se veían glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura con lo que ya disponía de pruebas de que los productos de estas dos fermentaciones estaban específicamente asociados con el crecimiento de dos microorganismos morfológicamente distinguibles. Tomó muestras de los sedimentos de los dos tipos de fermentaciones y los inoculó en tubos que contenían azúcar como fuente de carbono; en el caso de los glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura pudo reproducir la fermentación láctica y observar los diminutos glóbulos en el sedimento que aparecía en los tubos. La adición del sedimento de las tinas en las que se había producido alcohol, dió una típica fermentación alcohólica apareciendo en el fondo de los tubos glóbulos de levaduras.

En 1866, Pasteur publicó la obra titulada Estudios sobre el vino, sus enfermedades, causas que las provocan. Nuevos procedimientos para la conservación y envejecimiento. Entre las mejoras aconsejadas había un método para aumentar la calidad de la conservación de los vinos consistente en calentarlos a una temperatura de 68° C durante 10 minutos y después enfriarlos rápidamente. Esta técnica ha venido a ser conocida como pasteurización y es ahora ampliamente utilizada en el tratamiento de la leche.


Descubrimiento de la función de los microorganismos como causantes de enfermedades (Koch y la bacteria del carbunco)

Ya en 1546 Girolano Fracastoro había sugerido que las enfermedades podían deberse a organismos tan pequeños que no podían verse y que eran transmitidos de una persona a otra. Sin embargo, el descubrimiento de que las bacterias pueden actuar como agentes específicos de las enfermedades infecciosas en los animales fue realizado a través del estudio del carbunco, infección grave de los animales domésticos que es transmisible al hombre. La demostración concluyente de la causa bacteriana o etiología del carbunco la proporcionó en 1876 Robert Koch, un médico rural alemán. Kosch empezó a estudiar el mundo microbiano después de que su mujer le regalara por su 28 cumpleaños un microscopio. Seis años después Koch anunció al mundo que había encontrado la bacteria del carbunco (Bacillus anthracis). Posteriormente él y sus colaboradores descubrieron las bacterias que causan la tuberculosis y el cólera.

Esta serie de experimentos se ajustaban a los criterios necesarios para poder establecer la relación causal entre un organismo específico y una enfermedad específica. Estos criterios se conocen como los postulados de Koch:

1.- El microorganismo debe estar presente en todos los casos de la enfermedad.

2.- El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse en cultivo puro en el laboratorio.

3.- La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.


4.- El microorganismo debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.

El descubrimiento posterior de los virus (Dimitri Ivanovski en 1892; el virus del mosaico del tabaco pasaba los filtros que retenían a las bacterias), agentes que no crecen en medios artificiales en el laboratorio como lo hacen las bacterias, han permitido realizar algunas modificaciones en los postulados de Koch.

Este trabajo sobre el carbunco condujo rápidamente a la edad de oro de la bacteriología. En 25 años la mayoría de los agentes bacterianos de las principales enfermedades humanas habían sido descubiertos y descritos.

Desarrollo en la prevención de enfermedades (Lister y el fenol; Pasteur y las gallinas; Fleming y el hongo contaminante)

Actualmente es difícil comprender la magnitud de la miseria y devastación causada por los microorganismos antes de 1950. En Europa, durante el período de 1347-1350 ocurrió una epidemia de peste bubónica, conocida como la muerte negra y causada por una bacteria (Yersinia pestis). A causa de esta enfermedad en Francia murieron de un tercio a la mitad de la población y se estimó que en toda Europa murieron 25 millones de personas. Con el conocimiento de que los microorganismos causaban enfermedades, los científicos se dedicaron a investigar la prevención y el tratamiento. Los hospitales adoptaron la antisepsia, la cual previene la diseminación de las enfermedades infecciosas mediante la inhibición o destrucción de los agentes causantes. También se descubrió la inmunización, un proceso que estimula las defensas del cuerpo frente a la infección. Se empezó a aplicar la quimioterapia, tratamiento de las enfermedades con una sustancia química, a medida que los investigadores encontrabanmedicamentos más efectivos. También influyó la sanidad pública, sobre todo la higiene relacionada con los alimentos y aguas.


Antisepsia:

Hacia 1860 un cirujano inglés llamado Joseph Lister investigaba la forma de eliminar los microorganismos de las incisiones realizadas en las operaciones quirúrgicas. Por esa época, las muertes por infección después de una operación quirúrgica eran muy frecuentes. El propio Lister tenía anotado en su cuaderno de notas que el 45% de sus pacientes morían a causa de las infecciones quirúrgicas. Para evitarlo utilizó una solución diluída de fenol (que ya se sabía que mataba a las bacterias) para lavar las ropas de los cirujanos y todo el marterial quirúrgico, así como en spray en el quirófano durante la operación. Estos experimentos fueron el origen de la técnica aséptica.


Inmunización:

En 1880 Pasteur utilizó las técnicas de Koch para aislar y cultivar la bacteria que causa el cólera en gallinas. Para probar su descubrimiento convocó una demostración pública del experimento que había sido un éxito repetidas veces en el laboratorio. Inyectó un cultivo puro de la bacteria del cólera en gallinas sanas y esperó a que desarrollaran los síntomas y murieran. Per para su desgracia, las gallinas siguieron vivas. Revisando el experimento fallido descubrió que había utilizado cultivos viejos en lugar de cultivos frescos preparados especialmente para la demostración. Algunas semanas más tarde repitió el experimento usando dos grupos de gallinas: uno con gallinas inoculadas en el experimento anterior con el cultivo viejo y otro con gallinas nunca inoculadas.

Ahora inyectó en ambos grupos cultivos frescos. En este experimento las gallinas del segundo grupo murieron, pero las del primero permanecían vivas. Estos resultados intrigantes pronto encontraron una explicación para Pasteur. El había descubierto que la bacteria, si se dejaba crecer durante largo tiempo, podía volverse avirulenta. Pero esta bacteria avirulenta estimulaba algo en el hospedador, en este caso las gallinas, que resistían infecciones posteriores haciéndoles inmunes a esa enfermedad. Pasteur aplicó este principio de inmunización en la prevención del carbunco en animales y funcionó. A estos cultivos avirulentos los llamó vacunas (del latín vacca). Usando este término Pasteur reconoció el trabajo de Edward Jenner que en 1798 vacunó con éxito a un niño (James Phipps) de viruela, vacuna que obtuvo de las pústulas de una vaca con viruela.

El reconocimiento internacional de Pasteur le supuso un nuevo reto ya que le encargaron que encontrara una vacuna contra la rabia. En aquel momento no se conocía el agente causante de la rabia pero Pasteur creía que era un microorganismo. Hoy sabemos que es un virus. Finalmente obtuvo una vacuna frente a la rabia que funcionaba en perros, lo cual es diferente a humanos. En Julio de 1885, un niño llamado Joseph Meister fué mordido por un lobo rabioso, la familia del niño persuadió a Pasteur para que utilizara la vacuna en el niño (la enfermedad era mortal) que resultó un éxito. Posteriormente esta vacuna salvó a un grupo de campesinos rusos que habían sido mordidos por otro lobo rabioso. Como agradecimiento, el zar de Rusia envió a Pasteur 100.000 francos que utilizó para construir el Instituto Pasteur de París.

Quimioterapia:

El tratamiento de las enfermedades mediante compuestos químicos no es nuevo. En 1495 ya se utilizaban sales de mercurio para tratar la sífilis, aunque este tratamiento hizo bueno el axioma: Graviora quaedum sunt remedia periculus, es decir Es peor el remedio que la enfermedad ya que determinados tratamientos, como es el caso del mercurio, son tóxicos para las células animales y humanas. Para que un agente quimioterápico sea efectivo en el tratamiento de una enfermedad infecciosa no sólo debe de matar o inhibir al microorganismo causante de la infección sino que además debe ser relativamente inocuo para las células humanas al exhibir toxicidad selectiva. El primer gran descubrimiento en este sentido fue hecho por Paul Ehrlich a principios del siglo XX. Este médico alemán creía que era posible obtener un compuesto químico que pudiera curar específicamente la sífilis sin dañar al paciente.

El conocía que el arsénico inhibía al microorganismo causante de la sífilis (Treponema pallidum) pero que también era tóxico para las células humanas. Ehrlich trabajó en la idea de que el arsénico podía incorporarse dentro de compuestos orgánicos de tal manera que perdiera su toxicidad para las células humanas manteniendo sus propiedades antimicrobianas. Después de ensayar 605 sustancias con estas características encontró un compuesto, el 606, que cumplía estos requisitos. A esta sustancia la llamó Salvarsan y fue el primer compuesto químico sintetizado en laboratorio que podía curar una enfermedad sin ser tóxico para el paciente. Gracias a este descubrimiento le concedieron el premio Nobel en 1908. Hoy en día ya no se utiliza salvarsan para tratar la sífilis ya que ha sido reemplazado por un producto mucho más efectivo, el antibiótico penicilina.

Hasta 1935 no se realizó ningún nuevo avance en quimioterapia. En ese año Gerhard Domagk trabajando en la Bayer realizó un descubrimiento importante. Después de llevar a cabo experimentos con más de 1000 colorantes sintéticos para comprobar si alguno de ellos podía curar las infecciones causadas por estreptococos en ratones sin dañar a los animales, descubrió que un colorante rojo llamado Prontosil era efectivo. Este descubrimiento le valió el premio Nobel en 1939.

Curiosamente, este colorante no era capaz de inhibir el crecimiento de las bacterias crecidas en laboratorio; sólamente era efectivo cuando las bacterias crecían dentro del cuerpo del animal. Esta aparente contradicción fue resuelta en el mismo año por un químico francés Jacques Tréfouel al observar que el prontosil era transformado en el cuerpo en un compuesto incoloro diferente que sí tenía actividad específica frente a bacterias. Esta nueva sustancia era la sulfonamida. En un corto período de tiempo se determinó su estructura siendo posible sintetizarla en gran escala y desarrollar nuevos compuestos que se denominaron sulfamidas que aún hoy en día se siguen utilizando.

El salvarsan y las sulfamidas son ejemplos de agentes quimioterapéuticos sintéticos obtenidos mediante síntesis química en un laboratorio. Sin embargo, existe una segunda categoría: agentes quimioterapéuticos naturales, llamados antibióticos. Un antibiótico es una sustancia producida por un microorganismo que es inhibitoria para otros microorganismos en muy pequeña cantidad.

En 1928 el microbiólogo inglés Alexander Fleming observó que en una placa de agar inoculada con Staphylococcus aureus que estaba contaminada con el hongo Penicillium notatum, las colonias de Staphylococcus eran destruídas por alguna actividad de las colonias del hongo. A partir de este hongo realizó la extracción de un compuesto que era el responsable del efecto inhibitorio al que llamó Penicilina. Si bien Fleming reconoció el enorme potencial terapéutico de la penicilina, encontró serios problemas para aislarla y purificarla.

El primer ensayo clínico con una preparación cruda de penicilina se llevó a cabo el 12 de Febrero de 1941. El paciente era un policía de Oxford que se estaba muriendo por una infección con Staphylococcus (septicemia). Al administrarle penicilina se observó un mejoramiento espectacular, pero 5 días después, cuando se les acabó la penicilina, la infección volvió a emerger y el paciente murió. Este ensayo clínico falló debido a que no se podía obtener una producción a gran escala de penicilina. En este punto (1940-1941) los británicos estaban inmersos en la II guerra mundial. Los americanos se interesaron por la penicilina y la fundación Rockefeller invitó al inglés Florey para que investigara la producción a gran escala de la penicilina junto con universidades e industrias farmacéuticas americanas. Esta cooperación hizo posible que un año después estuvieran disponibles grandes cantidades de penicilina. Muy pocos descubrimientos científicos han tenido tanto efecto en el campo de la medicina como el descubrimiento de los antibióticos.



Microbiología y genética (Neumococos, doble hélice e ingeniería genética)

Antes de 1940 el conocimiento del fenómeno genético provenía de las investigaciones sobre plantas y animales, pero no se sabía si estos resultados se podían aplicar a los microorganismos. En 1944 Oswald Avery, Colin MacLeod y MacLyn McCarty descubrieron el papel del DNA en la genética bacteriana. Encontraron que el material de DNA de un tipo de neumococos puede transferir una característica hereditaria a otro tipo de neumococos. Posteriormente, en 1953 Watson, Crick y Wilkins descubrieron la estructura molecular del DNA. Estos descubrimientos, junto con otros, establecieron que la información genética de todos los organismos está codificada en el DNA. Esto hizo de los microorganismos un modelo muy atractivo para la investigación genética. Actualmente y utilizando la tecnología del DNA recombinante o ingeniería genética se pueden transferir fragmentos de DNA de un organismo a otro.


» http://coli.usal.es/web/educativo/micro2/tema01.html


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