1. INTRODUCCIÓN.
En el reino moneras se incluyen organismos muy pequeños, que solo pueden ser observados con microscopios muy potentes. Todos los individuos de este reino son procariotas, organismos unicelulares en los que no existen compartimentos en el interior de la célula y no se aprecia núcleo. Pueden vivir solos o en colonias, asociándose unos individuos con otros.
Ocupan todos los ecosistemas de la tierra, aunque no los veamos, son cosmopolitas, están en el aire que respiramos, en el agua que bebemos, en el suelo, en los alimentos e incluso pueden vivir en el interior de otro seres vivos, la mayoría son inofensivos, algunos, una pequeña minoría, son parásitos y producen enfermedades, pero otros son muy útiles y beneficiosos, incluso necesarios para el funcionamiento de la biosfera.
En este tema se hace un estudio de los géneros más comunes y de su ecología. Además e hace hincapié en las diferentes aplicaciones que tienen estos seres vivos en la industria, la importancia que tienen en la sanidad y su aplicación en la investigación siendo conscientes de la importancia de ésta en la obtención de una buena calidad de vida.
2. REINO MONERAS.
Morfológicamente muy simples, procariotas, unicelulares y sin verdadero núcleo, similares que derivan de un ancestro común procariota y anaerobio, toman el nombre de bacterias. Los primeros organismos vivos, la evidencia fósil más antigua es de hace más de 3400 millones de años. Es sabido, que hace unos 2000 millones de años, las cianobacterias, fueron las responsables del incremento de oxígeno en la atmósfera terrestre hasta los valores actuales gracias a su capacidad fotosintetizadora.
Carecen de membrana nuclear y su material genético se encuentra desnudo disperso en el citoplasma. Tampoco poseen plastos, mitocondrias, aparato de Golgi, retículo endoplasmático ni otros orgánulos celulares con membrana. Sí, por el contrario, tienen abundantes ribosomas, pero de menor tamaño que los de las células eucariotas. Cuando poseen flagelos, éstos son simples y con una estructura diferente a los flagelos de la célula eucarionte. La mayoría tienen una pared celular con una estructura y composición química distinta de las paredes celulares de vegetales y hongos. Finalmente el tamaño medio de la célula es menor que el tamaño medio de la célula eucarionte.
Las bacterias, a pesar de su simplicidad, realizan un gran número de reacciones químicas y son metabólicamente más diversas que las células eucariotas. Desarrollan un papel clave en aspectos tan fundamentales como la salud, la agricultura, los ciclos de la materia y la industria
Actualmente se reconocen dos grandes grupos de bacterias. Las Arqueobacterias, para las que se ha propuesto en 1990 por Woese y col., un grupo taxonómico superior a reino, el dominio, estando incluidas en el dominio Archea y las Eubacterias que se encontrarían ubicadas en el dominio Bacteria. Por tanto el reino Monera se ha visto escindido en dos grandes grupos de rango superior a reino.
3. LAS CYANOPHYTAS
3.1. Caracteres generales
Llamadas cianobacterias, grupo relativamente homogéneo, que debió adquirir su autonomía, ya antes de la diferenciación de las bacterias en gram+ y gram-. Tienen pigmentos fotosintéticos distintos como clorofila “a”, y por la liberación de oxígeno en la fotosíntesis, aunque en ciertos casos ésta puede ser anoxigénica. La célula de las cianofitas es 5-10 veces más grande que la célula bacteriana normal. Dentro de este grupo se incluyen organismos unicelulares, coloniales y filamentosos.
Pueden fijar el nitrógeno atmosférico libre, debido a la presencia de heterocistes, células especiales, que determinan puntos de ruptura de la multiplicación vegetativa de los filamentos, y que se diferencian del resto de las células por el tamaño, poseer celulosa y corpúsculos polares refringentes.
Poseen un cromosoma de ADN. Tienen un citoplasma en el que hay ARN y ribosomas. La clorofila “a”, está unida a membranas que se sitúan en posición periférica llamadas tilacoides, además de otros pigmentos carotenoides, como beta-caroteno, zeaxantina…También tienen ficobiliproteínas con ficobilina como grupo prostético, y se encuentran en los ficobilisomas contiguos a los tilacoides.
Entre los tilacoides se encuentra como sustancia de reserva almidón de cianofíceas, que es similar en su composición y estructura al glucógeno. También se pueden encontrar granos de cianoficina, polímeros de arginina y ac. aspártico, y gránulos de velutina (polifosfatos).
La pared celular, carece de celulosa y contiene mureína con peptidoglucanos, encontrándose frecuentemente alrededor vainas gelatinosas. La ultraestructura de la pared es igual que la de las bacterias gram-.
No hay células flageladas. Pueden existir casos en que se observan movimientos reptantes, pero el movimiento se debe a microfibrillas. Su motilidad es por deslizamiento.
La reproducción sexual es desconocida y la reproducción asexual se efectúa mediante bipartición. Las cianofíceas filamentosas se pueden multiplicar por fragmentación no específica del filamento o por hormogonios, que al separarse del filamento materno, originan otros nuevos. En algunas formas unicelulares se producen endosporas o exosporas.
En períodos adversos, algunas células se transforman en acinetos o células perdurantes, que al germinar dan hormogonios. También sucede que cortos segmentos laterales de un filamento se envuelven en una vaina común para dar un órgano persistente, el hormociste.
3.2. Diversidad y ecología
Las cianofitas, aparecen con más de 3000 m.a de antigüedad, en la actualidad cuenta con unas 2000 especies. Existen dos líneas morfológicamente distintas:
– Línea no filamentosa: con formas unicelulares de vida libre y esféricas, formas unicelulares unidas a diferentes sustratos, o formando agregados como cenobios y colonias unidas por una vaina común.
– Línea filamentosa: las células se mantienen unidas en una sola dirección mediante microplasmodesmos y rodeadas de una vaina común. Se llama tricoma al encadenamiento de varias células, y pueden ser, rectos o helicoidales, pudiendo haber varios tricomas rodeados por una vaina común.
Las cianofitas, están distribuidas por todo el mundo. A menudo son visibles incluso a simple vista como masas gelatinosas o revestimientos filamentosos en suelos encharcados y litorales. Viven en muchos hábitats, sobre todo en aguas dulces, aunque algunas especies están adaptadas a la vida fuera del agua y se las encuentra, en suelos húmedos, en cortezas de árboles, o superficies de rocas.
Son capaces de vivir en condiciones extremas con temperaturas elevadas como aguas termales, o temperaturas bajas en hielo. Las hay que forman el plancton, tanto marino como de agua dulce. Forman manchas como de tinta en los acantilados calizos, en los cuales viven epilíticamente en la parte superficial, y endolíticamente en grietas capilares. Algunas especies endolíticas pueden descomponer las calizas, en otras, se precipita cal en sus envolturas gelatinosas, lo que en las aguas dulces conduce a la formación de tobas y travertinos y en los mares cálidos, en la zona sometida a las mareas, determina la formación de costras calizas estratificadas. Las formaciones fósiles conocidas como estromatolitos están constituidas en gran medida por cianofitas.
Hay algunas especies tóxicas, ya que producen toxinas (neurotoxinas y hepatotoxinas) que segregan al exterior y en concentraciones elevadas en el agua pueden producir trastornos y muerte en animales que beben de aguas contaminadas.
Algunos géneros forman simbiosis con otros organismos. En los líquenes la mayoría del fotobionte son cianofitas. Algunas formas viven endofíticamente en las cavidades de los tejidos de otras plantas, por ejemplo Nostoc en el talo de distintas hepáticas, o Anabaena azollae endofita del helecho del género Azolla. También pueden vivir endosimbióticamente, formando las cianelas, dentro de las células vivas flageladas.
Varios géneros como Nostoc y Anabaena, fijan nitrógeno atmosférico. A diferencia de algunas bacterias son capaces de hacerlo viviendo libres. La contribución de las cianofitas a los ecosistemas es mayor que la de las bacterias fijadoras de nitrógeno.
A las cianofitas se les ha asignado un papel fundamental en la transformación de la atmósfera primitiva de la Tierra. Su actividad fotosintetizadora con producción de oxígeno libre molecular, condujo a un cambio de la atmósfera reductora original a otra atmósfera oxidante similar a la actual, hace aproximadamente unos 2000 millones de años. Por tanto, contribuyeron a alterar en gran manera el carácter físico de la Tierra, convirtiendo la mayor parte de los metales de la corteza sólida a óxidos, y también el propio carácter biológico de los organismos que viven en ella, pues se hizo posible el cambio de respiración anaerobia a aerobia. Como ya se ha dicho, existen fósiles de organismos similares a las actuales cianofitas con más de 3000 millones de años de antigüedad y que podían vivir en condiciones anaerobias.
4. LAS BACTERIAS
4.1. Caracteres generales
Las bacterias son seres unicelulares, con una densidad baja, parecida a la del agua. Cuando se observan al microscopio óptico, podemos reconocer su forma, el tamaño y la agrupación. Mediante tinciones podemos reconocer su aspecto, si es homogéneo o granuloso y algunas estructuras externas como la cápsula y los flagelos.
Con el microscopio electrónico, se pueden visualizar estructuras más pequeñas, pudiendo conocer mejor su función y composición. Estas se han estudiado mediante técnicas como: reacciones bioquímicas, espectofotometría de absorción atómica, electroforesis, cromatografía, inmunoelectroforesis, etc.
El tamaño es difícil de precisar ya que depende de muchos factores. Como término medio varía entre 1 y 10 µm, aunque hay algunas espiroquetas que pueden medir hasta 250 µm.
En cuanto a la forma las bacterias pueden ser:
– Cocos: bacterias esféricas, que pueden presentarse aisladas o en grupos. Según la agrupación: diplococos, de dos en dos; estreptococos, en cadenas de 5-20-100 elementos; estafilococos, en acúmulos irregulares como racimos y sarcinas, en paquetes cúbicos.
– Bacilos: bacterias cilíndricas alargadas. La agrupación de los bacilos sólo puede ser en parejas (diplobacilos) o en cadenas (estreptobacilos). Los bacilos algo curvados, con forma de coma, se llaman vibriones.
– Espirilos o espiroquetas: bacterias largas y helicoidales. Para algunos autores son formas bacilares que se han torcido como hélices. Puede haber con una sola incurvación o con varias incurvaciones.
4.2. Estructura
Las partes de una bacteria son: envoltura, formada por la pared celular y la membrana citoplásmica, citoplasma y cromosoma bacteriano. Algunos grupos pueden tener también: cápsula en el exterior, flagelos, pili y esporas. Las bacterias no tienen todavía orgánulos diferenciados en su citoplasma, sólo se observan ribosomas e inclusiones citoplasmáticas.
Pared bacteriana: composición y tipos
La pared bacteriana es el componente estructural más evidente, pues representa un 20% del peso seco. Algunas formas bacterianas y los micoplasmas carecen de ella. Es una cubierta rígida, que da forma a la bacteria y la protege de los cambios de presión osmótica externos.
Según la tinción con el método de Gram, hay dos tipos de pared, la pared gram+ y la pared gram-, que definen dos grandes grupos de bacterias las gram+ y las bacterias gram-. Con el microscopio electrónico se puede observar la estructura externa, en las gram- es rugoso y en las gram+ homogéneo y compacto. Los dos tipos de bacterias poseen en su pared mureína, formada por peptidoglucanos. Los peptidoglucanos son heteropolímeros de azúcares y aminoácidos. Los que se encuentran en eubacterias, están compuestos por dos azúcares, N-acetil-glucosamina (G) y el ácido N-acetil-murámico (M), así como por un número pequeño de aminoácidos, entre los que destacan: L-alanina, D-glutámico, ac. diaminopimélico y L-lisina.
Los azúcares forman cadenas con restos alternantes de G y M unidos por enlaces β 1-4. Estas cadenas pueden tener entre 10 y 65 unidades del disacárido. Cada cadena se une a su adyacente a través de la unión que establece el tetrapéptido con el grupo carboxilo del ácido murámico.
– Bacterias gram+
El peptidoglucano es muy abundante (entre 50 y 90%) formando capas con un grosor de 10-20 µm. En estas bacterias, unidos covalentemente al peptidoglucano, se encuentran ácidos teicoicos, localizados hacia el exterior. También se encuentran ácidos lipoteicoicos, que atraviesan los peptidoglucanos hasta la membrana citoplasmática.
Los ácidos teicoicos, parecen que intervienen en el mantenimiento de la integridad de la pared celular. Son lugares de recepción de fagos y de gran importancia, ya que cualquier pequeña modificación estructural altera el patrimonio antigénico de la bacteria y su susceptibilidad a la lisis fágica.
– Bacterias gram-
El peptidoglucano, aunque siempre presente, es más escaso (aproximadamente un 10%) y forma una capa más delgada. Al microscopio electrónico se observan tres zonas:
o Membrana externa: de grosor 6-10 nm., y compuesta por una doble capa de fosfolípidos y proteínas específicas, como las porinas, que constituyen la matriz, y conjuntamente con las lipoproteínas forman conductos, a través de los cuales difunden moléculas pequeñas de forma pasiva. Hacia la parte externa de la membrana hay una capa de lipopolisacáridos, responsables, de la toxicidad de muchas bacterias. En éstas moléculas podemos diferenciar: una cadena glucídica más externa, que le confiere especificidad de tipo, una parte central o core que le da especificidad de grupo y una parte lipídica que es la responsable de toxicidad.
o Capa intermedia: tiene un espesor de 3 a 8 nm., y está formada por moléculas de lipoproteínas, cuya parte proteica se une de forma covalente con el péptidoglucano, más interno, y la parte lipídica se une a los fosfolípidos de la membrana externa por interacciones hidrofóbicas.
o Capa de péptidoglucano: más profunda y de un espesor de alrededor de 2 nm.
– Bacterias acido-alcohol resistentes Incluye bacterias del género Mycobacterium. Su nombre es debido a que son resistentes a la decoloración con un alcohol y un ácido fuerte, cuando han sido teñidas. Esto es debido a que poseen en su pared ácidos micólicos, que son ácidos grasos, no saturados, de cadena larga semejantes a ceras. El resto de su estructura es similar a la de las bacterias gram+, excepto que faltan ácidos teicoicos.
Las propiedades y funciones de la pared bacteriana son las siguientes:
o Mantiene la morfología celular bacteriana, y le confiere resistencia frente a presiones externas u osmóticas internas.
o Debido a los poros permite la entrada de agua y metabolitos esenciales, aunque no el paso de macromoléculas.
o La pared bacteriana está implicada en la patogenicidad, ya que en las gram- la endotoxina se encuentra en la pared.
o Confiere a la bacteria especificidad de grupo y de tipo, ya que estos antígenos se encuentran en la pared junto con los receptores fágicos.
Membrana plasmática
Es la estructura que rodea el citoplasma. Constituida por una membrana de tipo unitario con espesor de 75 Å, similar a la de células eucariontes, formada por una bicapa de fosfolípidos y proteínas, pero sin esteroides. Además de delimitar la célula, regula el paso de sustancias a su través.
La membrana, presenta unos repliegues hacia el interior, son los mesosomas, cuyas funciones son muy diversas. Sirven para sujetar el cromosoma bacteriano y dirigir la duplicación del ADN. En ellos además, se realizan numerosas reacciones metabólicas, como: la respiración celular, síntesis de ATP, en las bacterias fotosintetizadoras se realiza la fotosíntesis, ya que es allí donde se encuentran los pigmentos fotosensibles; la fijación del nitrógeno atmosférico en aquellas bacterias que poseen esta capacidad, así como la asimilación de nitratos y nitritos en el caso de las bacterias nitrificantes.
En arqueobacterias, la bicapa lipídica de la membrana está formada por ácidos grasos ramificados y en el grupo de las termoacidófilas las cadenas de ácidos grasos se unen entre sí por los extremos formando una monocapa.
Citoplasma bacteriano
Posee un 85% de agua, además de principios inmediatos, minerales y enzimas, así como ribosomas e inclusiones.
– Ribosomas: Al microscopio electrónico se ven como gránulos densos homogéneos, redondeados, pero ligeramente aplanados, con un diámetro aproximado de 180 nm. Son muy numerosos, durante la división bacteriana se pueden detectar hasta 10.000. Se suelen presentar en grupos de tres a cuatro, unidos por un filamento de ARNm, llamándose polirribosomas. En ellos se produce la síntesis de proteínas. Cada ribosoma tiene una constante de sedimentación de 70s, y está formado por dos subunidades, una de 30s o subunidad pequeña, y una de 50s o subunidad grande. La composición en cada una de las subunidades es de, ARN ribosómico 16s + 21 moléculas de proteínas en la pequeña y 5s y otra 23s de ARN ribosómico en la subunidad grande más 34 moléculas de proteínas. En la lucha contra infecciones, los ribosomas tienen gran trascendencia, al ser el punto diana de antibióticos aminoglucósidos, tetraciclinas, cloranfenicol, macrólidos y lincosaminas.
– Inclusiones citoplasmáticas Son elementos que sirven como almacenaje o de regulación. Hay dos tipos:
o Vacuolas: que son acumulaciones de líquidos o gases, rodeados de una estructura membranosa.
o Granulaciones: son inclusiones sólidas, constituidas por sustancias de reserva, las más importantes son los gránulos de polifosfato, glucosa en forma de polímeros, largos polímeros de ácido hidroxibutírico y gránulos de lípidos, azufre, etc.
Cromosoma bacteriano o nucleoide
El ADN cromosómico es el responsable de la información genética, director de la actividad y herencia celular. Las bacterias son haploides y la transmisión genética es lineal. A pesar de no existir mitosis como tal, cada célula hija recibe su propio patrimonio de información genética. Ocupa el 10% del volumen del 2-3% del peso seco de la bacteria.
El cromosoma bacteriano está formado por una molécula de dos cadenas de ADN circular y sin histonas. Los genes bacterianos no contienen intrones, y muchas veces se encuentran solapados.
Los plásmidos son moléculas circulares de ADN bicatenario, con estructura helicoidad y peso molecular muy bajo, se llama también ADN extracromosómico. Son moléculas no esenciales para la bacteria, que se replican independientemente del cromosoma bacteriano y pueden integrarse en él. Se transmiten por herencia a las células hijas, y son portadores de genes con gran función biológica, pero no fundamental, para la vida de la bacteria. Pueden ser capaces de transmitirse de una bacteria a otra por conjugación, como sucede con otros fenómenos de recombinación genética. Los plásmidos bacterianos son empleados actualmente en ingeniería genética como vectores.
Cápsula
La cápsula no es esencial para la fisiología bacteriana, ni la presentan todas las bacterias. Está constituida por polímeros orgánicos sintetizados por la propia bacteria, que se segregan y depositan por fuera de la pared bacteriana. Estos componentes pueden ser de naturaleza glucídica, normalmente formada de polisacáridos complejos, o de naturaleza proteica formada por polipéptidos.
La cápsula se delimita perfectamente por tinción negativa, es compacta y está fuertemente adherida a la pared bacteriana. El grosor varía de 0,2 a1µ, y a veces puede doblar el volumen de la bacteria. La cápsula habitualmente engloba más de una bacteria, haciéndolo en parejas, cadenas o elementos situados en distintos planos. La cápsula suele ser un elemento de identificación morfológica.
Entre las propiedades y funciones de la cápsula destacan:
– Protección frente a la fagocitosis, favoreciendo su multiplicación y facilitando la invasión del organismo infectado. La virulencia desaparece en el momento en que se pierde la cápsula.
– Protección contra los bacteriófagos impidiendo su fijación y dificultando la entrada de antimicrobianos que afectan a la pared o al interior del citoplasma.
– La cápsula permite la diferenciación de tipos serológicos dentro de una especie dada ya que presenta una especificidad antigénica.
Otras estructuras bacterianas
– Flagelos Tienen forma helicoidal hueca, y son los responsables de la movilidad bacteriana. Son filamentos ondulados anclados a la membrana, cuyo principal componente es una proteína llamada flagelina. Su presencia constituye un carácter taxonómico. Se componen de tres partes: filamento, codo o manguito y corpúsculo basal.
– Pili Llamados también fimbrias, son elementos filamentosos no fundamentales para la vida bacteriana, y que se muestran como apéndices largos exteriormente. Carecen de movilidad y los poseen fundamentalmente las bacterias gramnegativas. Están constituidos de una proteína antigénica, pilina. Según su función, hay dos tipos de pili: comunes y sexuales. Los comunes sirven para adherirse a superficies, incluyendo células. Los sexuales, más anchos, se utilizan para la conjugación y transferencia genéticas.
– Espora Presente en algunas especies bacterianas exclusivamente bacilares. Pueden estar en el interior de la bacteria o libres. Es un órgano oval u esférico, termorresistente y refringente. Constituye una forma de resistencia bacteriana ante situaciones de deficiencia nutricional, desecación, frío, temperaturas elevadas y determinados agentes químicos. Puede ser utilizada como un criterio taxonómico, según la capacidad de la bacteria de esporular y la situación de la endospora sobre su citoplasma.
4.3. Reproducción bacteriana y fenómenos de parasexualidad
Fisión binaria transversal a gran velocidad. El tiempo de generación es el tiempo requerido para que el número de bacterias se duplique. Puede ser de 12 a 15 minutos, para la mayoría es de 20 a 60 minutos y algunas tardan hasta 20 horas.
La división bacteriana se inicia con modificaciones que preceden a la división celular, donde se duplica el ADN. La replicación del ADN es un proceso bidireccional, que se inicia en un punto de molécula de ADN, que se denomina origen de replicación.
La replicación de ADN está perfectamente coordinada con la división de la bacteria, al haberse demostrado que los mesosomas ponen en contacto el cromosoma bacteriano con la membrana citoplasmática. Simultáneamente, a partir de la zona central de una y otra parte de la pared bacteriana, se forma un septo transverso, que tiende a dividir la célula madre en dos células hijas. El septo más tarde presenta la misma estructura que la pared bacteriana.
En las bacterias también se producen fenómenos que se denominan de parasexualidad como: conjugación, transformación y transducción. Estos procesos son los responsables de la variabilidad genética que existe en las poblaciones bacterianas.
La conjugación consiste en la transferencia de un pequeño segmento de ADN desde una bacteria donante a otra que actúa como receptora, el intercambio se realiza a través de un pili de tipo sexual. La mayor parte de la conjugación se verifica entre bacterias entéricas gram-.
La transformación consiste en la entrada de ADN libre del medio en fragmentos pequeños, liberado por ejemplo a partir de la lisis de otra bacteria, y la incorporación al cromosoma de la bacteria. Se produce mayoritariamente en bacterias gram+.
La transducción es un proceso por el cual penetra ADN en una bacteria, procedente de otra bacteria a través de un bacteriófago atemperado.
4.4. Metabolismo y ecología de las bacterias
Las bacterias se encuentran diseminadas, con un enorme número de individuos, por toda la Tierra, tanto en el medio acuático, en el suelo, como en la atmósfera, y sobre toda clase de objetos. Su amplia distribución la deben a los siguientes factores:
– Su tamaño, y la alta superficie en relación a la masa de su cuerpo, hace posible que tengan una fuerte intensidad del metabolismo y una elevada actividad fisiológica.
– La capacidad de resistencia de sus células vegetativas y sobre todo de sus esporas contra las influencias exteriores desfavorables.
– Gran diversidad en los tipos de nutrición.
Las esporas de las bacterias son muy resistentes a la desecación y a la influencia térmica, algunas de ellas soportan la inmersión en agua hirviendo durante varias horas.
También las células vegetativas de muchas especies son muy resistentes, especialmente contra la desecación, algunas de ellas son capaces de vivir a temperaturas elevadas (90-100°C), por ejemplo en las fuentes termales.
Las arqueobacterias termófilas no sólo son estables a altas temperaturas, sino que incluso las necesitan para su crecimiento óptimo. Estas bacterias poseen proteínas termoestables y enzimas caracterizadas por óptimos de temperatura elevada. La estabilidad de las proteínas aumenta por iones metálicos, o por unión a membranas celulares, así como por una conjunción de aminoácidos especial, contienen mayor número de restos de arginina, que las termolábiles.
En las bacterias existe un mayor número de tipos de metabolismo que en las células eucariotas. La mayor parte de las bacterias son heterótrofas y viven saprofíticamente o parasitariamente. Sin embargo es raro el parasitismo obligado en estos organismos, pues aún la mayor parte de especies patógenas se pueden multiplicar fuera del cuerpo del huésped.
Las bacterias son organismos descomponedores de la materia orgánica. Mediante las enzimas que segregan, provocan una intensa descomposición de los sustratos donde viven, tanto en condiciones anaerobias como aerobias. Muchas fermentaciones son producidas por bacterias como, la fermentación láctica y butírica, la fermentación de la celulosa, de la pectina y de las proteínas, así como la fermentación acética. Casi todos los productos naturales pueden ser descompuestos por bacterias, incluso el petróleo, la parafina y el asfalto. Otras bacterias tienen capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico.
Un gran grupo lo representan las bacterias fotoautótrofas que realizan la fotosíntesis, tanto oxigénica como las cianobacterias, como anoxigénica, en el caso de bacterias rojas y verdes. Finalmente otras son quimioautotrófas como las bacterias nitrificantes, bacterias oxidadoras del azufre, bacterias del hierro, bacterias del hidrógeno y carboxidobacterias. Éstas últimas de gran importancia en los ciclos de algunos elementos en la naturaleza4. Clasificación de las bacterias
5. CLASIFICACIÓN DE LAS BACTERIAS
De la compleja y amplia clasificación de las bacterias, agrupamos aquí tanto aquellas que tienen un especial valor científico, como las que son de utilidad y de importancia para la especie humana; citando los géneros más importantes.
5.1. Arqueobacterias
Viven en ambientes rigurosos. Son bacterias con pared celular sin peptidoglucanos. Tienen lípidos ramificados en la membrana celular y poseen ARN y enzimas característicos. Los tres grupos principales son: bacterias metanógenas, halobacterias y bacterias termoacidófilas.
– Halófilas extremas: típicas de ambientes salinos (salinas, lagos salados, cerca del mar). Para su crecimiento requieren concentraciones entre 9-32 % de NaCl. Algunas realizan un tipo de fotosíntesis mediante un pigmento púrpura. Ej: Halobacterium y Halococcus.
– Metanogénicas: probablemente las más frecuentes de las arqueobacterias. Viven en materia orgánica en descomposición, como aguas estancadas y el tracto intestinal de algunos animales. Son anaerobias strictas, productoras de metano a partir de dióxido de carbono e hidrógeno. Ej: Methanobacterium y Methanococcus.
– Termoacidófilas: viven en zonas con altas temperaturas (45-110°C) a veces en ambientes también ácidos. La mayoría son anaerobias estrictas. Su temperatura óptima de crecimiento supera los 80°C. Ej.: Sulfolobus y Thermococcus.
5.2. Eubacterias
Eubacterias con pared celular gramnegativa
– Espiroquetas: con característica forma espiral y pared flexible. Se desplazan por flagelos internos llamados filamentos axiales. Algunas especies son de vida libre, mientras que otras forman asociaciones simbióticas. Una pocas son parásitas, como el Treponema pallidum que causa la sífilis. La enfermedad de Lyme, trasmitida por garrapatas, es producida por una especie del género Borrelia
– Bacilos y cocos gramnegativos: el género Rhizobium que fija el nitrógeno atmosférico en simbiosis con raíces de plantas leguminosas, las Azobacterias, viven en el suelo y también fijan el nitrógeno en condiciones aerobias, el género Pseudomonas que degrada materia orgánica. Otras pueden producir enfermedades en el hombre, animales y plantas, como Neisseria gonorrhoeae, que produce la gonorrea y Legionella pneomophila, que causa la enfermedad del legionario.
– Bacilos gramnegativos anaerobios facultativos: como las enterobacterias, que viven descomponiendo materia orgánica en animales y hombre formando parte de la flora microbiana normal, como es el caso de Echerichia coli que vive en el aparato digestivo humano. Especies del género Salmonella pueden producir intoxicaciones alimentarias y otras la fiebre tifoidea (S. tiphymurium),
– Rickettsias y Clamidias: las rickettsias son parásitos intracelulares, principalmente de artrópodos. Algunas causan enfermedades en el hombre transmitidas por aquellos. Las clamidias, carecen de peptidoglucanos en la pared, son parásitos, dependiendo totalmente de la célula huésped para obtener energía.
– Mixobacterias: se caracterizan por la secreción de “moco” que les sirve para
deslizarse sobre el sustrato. Son sapróbias degradando materia orgánica de muy
diversos orígenes. En condiciones adversas se agrupan en masas multicelulares y
pedunculadas formando cuerpos fructíferos constituidos por esporas en reposo.
Al sobrevenir en condiciones más favorables se transforman en bacterias activas
– Cianobacterias: antes llamadas cianofitas. Son fotosintetizadoras, pues tienen clorofila “a” y realizan una fotosíntesis parecida a la de algas y plantas superiores. Habitan en agua dulce y lugares húmedos, algunas fijan nitrógeno atmosférico. Ya han sido ampliamente estudiadas antes.
Eubacterias con pared celular grampositiva
Cocos grampositivos: los estreptococos que habitualmente viven en el aparato digestivo de animales y el ser humano, causando en ocasiones infecciones en la boca. Los estafilococos, son patógenos oportunistas y viven en la nariz y la piel. Otros producen ciertas intoxicaciones alimentarias.
– Bacilos grampositivos: el género Clostridium es anaerobio y productor de endosporas que contienen toxinas, por lo que alguno produce intoxicaciones en el hombre, como el botulismo (C. botulinum}.
– Bacterias acidolácticas: producen fermentación de azúcares dando como producto final ácido láctico. Pueden vivir en el suelo, así como en la leche y otros productos lácteos. Son utilizadas en la industria alimentaria para la producción de derivados lácteos y encurtidos.
– Micobacterias: de estructura irregular alargada y delgada, tienen productos céreos en su pared celular. Algunas causan enfermedades en humanos, como la tuberculosis y la lepra.
– Actinomicetos: se parecen a los hongos, pues sus células forman largas cadenas o filamentos ramificados. Descomponen materia orgánica, existiendo algunos anaerobios. La mayoría de antibióticos conocidos (estreptomicina, cloranfenicol, eritromicina, etc) provienen de los actinomicetos del género Streptomyces.
Eubacterias sin pared celular
– Micoplasmas: son de tamaño muy pequeño (diámetro de unas 0,3 ^m). Viven
en el suelo, aunque la mayoría son parásitos de plantas y animales, otros pueden
causar enfermedades en humanos al vivir en las mucosas.
6. IMPORTANCIA DE LAS BACTERIAS EN LA INDUSTRIA, LA SANIDAD Y LA INVESTIGACIÓN BÁSICA
6.1. Su importancia en la investigación básica
Las bacterias, y en especial Echerichia coli. fueron, a partir de los años cincuenta del siglo pasado, los principales organismos utilizados para el estudio de la expresión genética, dando origen a la llamada genética bacteriana. La facilidad para el crecimiento y control de las bacterias en el laboratorio, hizo que estos microorganismos se utilizaran en la investigación básica que dio como resultado el descubrimiento del código genético, así como de los primeros modelos de la transcripción, traducción, duplicación de ADN, etc., que luego fueron extendidos a células eucariotas
El descubrimiento de las enzimas de restricción en las bacterias, hizo posible el desarrollo de la ingeniería genética. Estas enzimas pueden cortar moléculas de ADN en lugares concretos y luego reunir las piezas de ADN, incluyendo genes, con otro enzima. Al ADN resultante se llama ADN recombinante, ésta tecnología es esencial, junto con la utilización de plásmidos bacterianos como vectores de genes, en la ingeniería genética.
Los fenómenos de parasexualidad de bacterias han sido empleados como técnicas de investigación básica. Así la transducción y transformación se emplean para introducir fragmentos de ADN a bacterias receptoras a través de la tecnología del ADN recombinante.
Las bacterias transgénicas se emplean para sintetizar determinados compuestos químicos, al haberles introducido genes que provienen de otros organismos tanto animales como vegetales.
6.2. Su importancia en la industria.
La utilización de bacterias en procesos industriales se encuentra en un estado de continuo cambio. Los recientes avances en el campo de la biología molecular con la modernas técnicas de ingeniería genética, antes mencionadas, suponen un paso importante al aplicarías a un amplio espectro de procesos industriales. Entre las técnicas utilizadas en la industria basada en la fermentación de las bacterias están las siguientes:
– La mutación, que por ejemplo en el campo de la industria farmacéutica, emplea la llamada biosíntesis mutacional, técnica que permite diseñar nuevos fármacos de una forma más racional y positiva, aunque el procedimiento es lento y laborioso.
– Fusión de protoplastos, en la que se eliminan las paredes celulares de cada tipo bacteriano mezclándose los protoplastos resultantes, y permitiéndose que el producto de fusión regenere la pared celular. Este procedimiento conduce a un extraordinario aumento de la frecuencia de recombinación genética. La técnica se está aplicando para recombinar mutantes de crecimiento lento, pero de alta producción, con otros de crecimiento rápido para conseguir cepas de crecimiento rápido y alta producción. También se utiliza para recombinar varios mutantes, con objeto de producir combinaciones más productivas.
– La ingeniería genética constituye un impulso en todos los campos de la industria. La técnica del ADN-recombinante, y la utilización de plásmidos para introducir los genes seleccionados en Echerichia coli, implica amplificar o multiplicar los genes, forzando a los plásmidos que los contienen, a reproducirse rápidamente a una velocidad algo superior que la del cromosoma bacteriano. Esta técnica incrementa la producción de las proteínas codificadas por los genes. También los bacteriófagos pueden transferir y multiplicar genes. Muchos genes de células de mamíferos, incluido el hombre, se han clonado por multiplicación bacteriana, En la actualidad las bacterias producen muchas proteínas entre ellas la insulina y el interferón a partir de genes humanos.
Las características de las bacterias que suponen ciertas ventajas para su uso en la industria son:
– El pequeño tamaño de la célula, y su correspondiente alta relación de superficie a volumen, que facilita el rápido transporte de nutrientes a su interior, y permite, por consiguiente, una elevada tasa metabólica.
– Elevada tasa de reproducción, debido a la alta velocidad de biosíntesis microbiana, que permite a algunas bacterias dividirse en tan solo 20 minutos como Escherichia coli.
– Capacidad para realizar una extensa gama de reacciones metabólicas y adaptarse así a fuentes variadas de nutrientes. Esta versatilidad hace posible que las fermentaciones industriales se basen en nutrientes de bajo coste.
Las condiciones especiales que deben cumplir las bacterias de uso en la industria son:
– Estar disponible en cultivo puro.
– Ser genéticamente estables.
– Crecer en cultivos a gran escala y en medios relativamente baratos disponibles en gran cantidad.
– Crecer rápidamente y producir el producto deseado en un corto período de tiempo.
– No ser patógeno para el hombre o para los animales o plantas.
– Separarse con facilidad del medio de cultivo.
Industria alimentaria
Alimentos de origen bacteriano: desde antiguo se utiliza el proceso de fermentación acética para la obtención del vinagre que se lleva a cabo por los géneros: Gluconobacter y Acetobacter. Las bacterias que por fermentación producen ácido láctico, como especies de los géneros Streptococcus y Lactobacillus, se emplean en la industria de derivados de la leche como el yogur, leches fermentadas agrias, mantequilla: otras son utilizadas en la fabricación de quesos.
Industria farmacéutica
En la industria farmacéutica son utilizados numerosos microorganismos, entre ellos las bacterias, para la obtención de antibióticos, vacunas, principios esenciales, enzimas, hormonas, etc.
– Producción de antibióticos: de todos los metabolitos secundarios obtenidos por fermentación, los más importantes para la salud humana y mejor conocidos, son los antibióticos. El género Badilas es utilizado para obtener, gramicidina, bacitracina, polimixina. Se obtienen aminoglucósidos como estreptomicina por Streptomyces griseus, macrólidos como eritromicina por Streptomyces erythraeus, y tetraciclinas por Streptomyces aureofaciens.
– Producción de vacunas: obtenidas de agentes patógenos muertos o atenuados para inducir inmunidad frente al germen activo. Muchas se obtienen hoy en día por ingeniería genética al clonar los genes de los componentes antigénicos, que suelen ser proteínas.
– Producción de hormonas de uso médico: como cortisona e hidrocortisona por fermentación con Rhizopus nigricans. Por ingeniería genética se obtiene la hormona del crecimiento.
– Otros compuestos: entre los metabolitos primarios más importantes que comercializa la industria farmacéutica deben citarse aminoácidos, nucleótidos purínicos, vitaminas y ácidos orgánicos. Por ejemplo las bacterias Pseudomonas denitrificans sintetizan cobalamina.
Industria química
Hay una gran variedad de compuestos químicos que se obtienen a partir de reacciones biológicas realizadas en bacterias, la mayoría, en la actualidad, manipuladas genéticamente. Entre los procesos mejor conocidos están:
– Obtención de ácido acético, mediante los géneros Gluconobacter y Acetobacter
que pueden convertir el etanol en ácido acético.
– Otras se emplean para obtener ácido láctico, que se utiliza en la medicina e
industria alimentaria. La fermentación la realizan diversos organismos entre ellos Lactobacillus bulgaricus que es anaerobio facultativo. Se parte de suero de la leche que contiene lactosa que se degradada por los microorganismos, primero a glucosa y después a ácido láctico y otros productos.
– Producción de acetona y butanol por fermentación de azúcares con Clostridium acetobutylicum.
– Fabricación de enzimas como amilasas de aplicación en cervecería, e industria textil; proteasas producidas por algunas especies del género Bacillus utilizadas en cervecería, ablandamiento de carnes, fabricación de detergentes y tratamiento de cuero, y renina en la producción de quesos.
– Otras sustancias que se pueden producir son: Usina con Corynebacterium
glutamicum, dextrano por Leuconosloc y dihidroxiacetona por Acetobacter.
Industria medioambiental
Las bacterias son empleadas en la industria medioambiental aprovechando sus propiedades metabólicas de degradación. Entre los procesos en que intervienen podemos citar:
– Tratamiento de aguas residuales: dentro del proceso participan bacterias aerobias en los activadores de cieno, facilitando la decantación, y también bacterias anaerobias en los digestores de fango, que degradan macromoléculas a sustancias más sencillas para luego fermentarlas y producir dióxido de carbono y metano, como en el caso de las bacterias metanógenas
– Labores de biorrernedación: en las mareas negras, por ejemplo, se utilizan cepas de Pseudomonas pulida que pueden degradar el petróleo. Varias cepas de esta bacteria contienen plásmidos, cuyos genes determinan enzimas que degradan diferentes componentes del petróleo. Por ingeniería genética se han reunido en una sola cepa las diferentes capacidades de degradar los distintos componentes. Estas cepas multiplasmídicas degradan las manchas de petróleo más deprisa que cualquiera de los microorganismos de partida.
6.3. Su importancia en la sanidad como agentes patógenos
La patogeneidad de algunas bacterias fue demostrada por Koch en 1876 con el trabajo sobre el carbunco, enfermedad que padece el ganado pero que puede infectar también al hombre. Koch sentó las bases de la teoría microbiana de la enfermedad, y a él se deben, los criterios que deben seguirse para probar que un determinado tipo de bacteria causa una enfermedad, llamados postulados de Koch.
A partir de entonces, se han descubierto numerosas enfermedades producidas por bacterias, tanto en plantas, como en animales y desde luego en el hombre. Esto ha supuesto un gran desarrollo científico en el campo de la microbiología, y en particular de la bacteriología. Estos estudios han llevado a un conocimiento mayor de la estructura y metabolismo bacteriano así como de los mecanismos de infección, métodos de prevención y lucha contra enfermedades infecciosas.
La capacidad de un microorganismo para producir la enfermedad es la patogeneidad, hay poblaciones que causan la enfermedad y se llaman virulentas y otras que son inocuas o no virulentas. Las bacterias pueden producir infecciones por tres mecanismos:
– Causan la muerte en las células que invaden.
– Lesionando y destruyendo células o tejidos mediante enzimas, endotoxinas o exotoxinas.
– Inducción de respuestas celulares en el huésped para cortar la infección, que ocasionan lesiones adicionales en tejidos.
– Muchas de las enfermedades debidas a bacterias producen grandes pérdidas económicas en cultivos de plantas y en el ganado. Del mismo modo, en el hombre, muchas de ellas han causado grandes epidemias, que en la antigüedad diezmaron a la población humana.
– Hemos agrupado algunas de las enfermedades bacterianas más conocidas y comunes que afectan a la especie humana dependiendo del medio de transmisión.
Enfermedades infecciosas transmitidas por las vías respiratorias a través del aire.
– Difteria: por Corynebacterium diphtheriae, se localiza en la garganta y nariz, es grave y produce toxinas, dificulta la respiración.
– Tuberculosis: por Mycobacterium tuberculosis, afecta sobre todo a los pulmones.
– Neumonía: entre otros por Streptococcus pneumoniae, produce congestión en lóbulos pulmonares.
– Meningitis (meningocócica): por Neisseria meningitidis. Muy grave, inflamación de las meninges.
Enfermedades infecciosas trasmitidas por el agua y alimentos
La mayoría son infecciones entéricas (afectan al intestino).
– Gastroenteritis y salmonelosis: por Echerichia coli y Salmonella sp.
– Fiebre tifoidea: por Salmonella typhi.
– Cólera: por Vibrio cholerae.
Enfermedades infecciosas por contacto directo.
– Enfermedades venéreas o de trasmisión sexual: sífilis por Treponema pallidum y gonorrea por Neisseria gonorrhoea.
– Infecciones provocadas por heridas: tétanos por Clostridium tetani, bacteria anaerobia que causa enfermedad en el SNC, la gangrena gaseosa ocasionada por diferentes especies de Clostridium, produce gases cerca de la herida y se combate con antitoxina.
– Enfermedades que se trasmiten por vectores: como la peste por Yersinia pestis. Trasmitida al hombre por un vector que son las pulgas que previamente han
– picado a ratas.
– Algunas enfermedades bacterianas.
– Infecciones transmitidas por las vías respiratorias a través del aire
7. BIBLIOGRAFÍA
– madigan y martingo. Brock, biología de los microorganismos 8º edición. Prentice-hall ibérica. Madrid 1999
– demain. Microbiología industrial. Investigación y ciencia nº 62 1981
– Margulis. Cinco reinos. Editorial labor SA 1985
– Stainer. Microbiología. Ed Reverté SA Barcelona. 1996