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BLOQUE VII: DIVERSIDAD PROCARIOTA
TEMA 22: TAXONOMIA Y FILOGENIA`
TAXONOMIA
La taxonomía nada de la necesidad humana de poner nombre y ordenar. El termino taxonomía viene del griego taxis (estructura – orden) y nomos (ley – gobierno). Tiene tres subdisciplinas:
Clasificación: agrupación en taxones. Nomenclatura: Asignación de nombres a los grupos. Identificación: Determinación de un individuo determinado pertenece a un taxón conocido. Para ello se hace un asilamiento, se obtiene un cultivo puro, se hace una reacción Gram, se hace una serie de pruebas, y se llega a una conclusión, a partir de los resultados, de la identidad del microorganismo.
TIPOS DE CLASIFICACIÓN:
Clasificación natural: Se clasifican los organismos en función de las características morfológicas observables. No obstante, es una clasificación muy complicada de realizar con microorganismos. Clasificación fenética: Se clasifican los microorganismos por sus características fenotípicas, ya no sólo la morfología, sino que también se utilizan pruebas fisiológicas. Clasificación filogenética: Se empieza a realizar desde los trabajos de Welsh, a partir de sus estudios del RNA ribosómico (16S). Se distinguen a las bacterias en función de sus parentescos, es decir, de sus relaciones evolutivas. Clasificación genotípica: Se trata de comprar diferencias genéticas entre organismos.
Hoy en día se utilizan todos los mecanismos para la identificación de los microorganismos. A esto se le llama “taxonomía polifásica”.
La taxonomía numérica utiliza un enfoque cuantitativo. Se utilizan de 50 a 100 pruebas, y a cada una de ellas se le da un valor, 1 cuando es positiva y 0 cuando es negativa. Los datos se introducen en un ordenador y este los compara con una base de datos previa. El ordenador calcula el coeficiente de emparejamiento simple , que es el número de pruebas en las que se parece el organismo que queremos identificar al de la base de datos, partido por todas las pruebas. Cuando mayor es el coeficiente, más posibilidad de que se parezcan los organismos comparados (SSM = (a+b)/(a+b+c+d))
Los rangos taxonómicos son jerárquicos, arriba del todo está el dominio (bacteria o arquea, en el caso de procariotas), luego continuaría el filo, la clase, orden, familia, género y por último, la especie. La especie, en procariotas, es la unidad básica taxonómica y se define como el conjunto de cepas (aislamientos de la misma especie, pero que poseen una característica diferente) similares que difieren suficientemente como para ser reconocidas como una unidad básica.
TÉCNICAS UTILIZADAS EN TAXONOMÍA :
Características clásicas: Son caracteres morfológicos, estructurales, fisiológicos, ecológicos y genéticos. Características moleculares: Conocer una serie de datos que pueden ser secuenciados de ácidos nucleicos, o contenido G+T, o hibridación de ácidos nucleicos.
Características Moleculares:
Secuenciación de ácidos nucleicos: Se elige para la secuenciación la subunidad 16S del rRNA. Luego se alinean las secuencias y se determina si se trata de la misma especie o se estudian las diferencias. Hay una secuencias que son las secuencias firma , que están en posiciones determinadas y son específicas del dominio. Se obtiene el coeficiente de secuenciación (Sab). Dos cepas tendrán la misma secuencia, o a lo más diferencias de uno o dos nucleótidos, sino no serán de la misma especie.
Contenido en G+C : El contenido G+C se calcula de la curva que se obtiene al enfrentar la absorbancia relativa a 260nm, frente a la temperatura de desnaturalización. Cuando aumenta la temperatura las hebras del DNA se separan y esta temperatura es directamente proporcional a la cantidad de Guanina y Citosina; de manera que cuanta más alta es la temperatura, mayor es el contenido de Guanina y Citosina. Se calcula en el punto medio de gráfica y siempre se da en porcentaje. Dos especímenes que difieran más del 10% en el contenido en G+C, no pueden ser la misma especie. Dos especímenes con el mismo contenido G+C, no tienen por qué ser la misma especie.
Hibridación : Para la hibridación se utilizan filtros de nitrato de celulosa, donde se pone el DNA monocatenario del espécimen a estudiar. Una vez que hemos puesto este DNA adherido al filtro, se añade DNA monocatenario del espécimen conocido y que está marcado radioactivamente. Se somete a una temperatura que no está muy alejada de la temperatura de desnaturalización, para que se produzca la hibridación. Si son muy parecidos, se hibridará bastante, pero si son la misma especie se hibridarán al 100%. Posteriormente, hay un lavado, que elimina todo el DNA radioactivo que no se ha asociado. Por radiografía se estudia la cantidad de radioactividad. Más de un 70% (con una diferencia menor al 5% de la temperatura de desnaturalización) de hibridación, indica parentesco cercano.
Huella genómica : Se utiliza tanto para la diferenciación de especies como de cepas. No se trata de secuenciar, sino que lo se realiza es lo siguiente: Se aísla el DNA a partir de un cultivo puro, se amplifica mediante PCR. Posteriormente, este amplificado es digerido mediante enzimas de restricción (cortan en sitios específicos del DNA), y se realiza una electroforesis en gel de agarosa (para ver los diferentes fragmentos digeridos por la enzima). Después de un tiempo se obtiene un patrón de bandas, en el que se ve el polimorfismo de los fragmentos de restricción (R.F.L.P.), que por tener diferentes tamaños correrán más o menos en el gel. Se obtendrá un “código de barras” para cada cepa o cada especie (esto depende del fragmento que se elija para cortar).
Análisis de secuencias Multilocus (M.L.S.T.): En este caso no se amplifica un solo gen, sino 7 u 8 genes implicados en el mantenimiento celular ( house keeping ) y que no estén cerca de genes que codifican para proteínas que están sometidas a presión de selección, es decir, genes muy conservados. Se puede usar para identificar, pero funciona muy bien para diferenciar a nivel de cepa. Los genes se amplifican, y se construye las diferentes secuencias artificiales (secuencias tipo).
PROBLEMA: Existen dos cepas, A y B, ambas son bacilos Gram -, con respecto al contenido G+C la A tiene un 52% y la B un 41%; la hibridación da un 70% de similitud entre ambas.
- No pueden ser la mima especie porque tienen más de un 10% de diferencia en el contenido G+C.
FILOGENIA MICROBIONA
Se utilizan como cronómetros biológicos, porque los cambios son proporcionales a la distancia evolutiva. Con los resultados de las secuencias se construyen árboles filogenéticos. Los árboles filogenéticos pueden tener raíz, con lo que se ha encontrado un ancestro común; o no tenerla. Los nudos representan unidades taxonómicas (especies o géneros); y los nudos externos representan organismos vivos. La longitud de las ramas depende de la distancia evolutiva.
Manual de Bergey : Es la fuente oficialmente reconocida. Es el mayor compendio de bacterias que existe, y el que ha obtenido el mayor consenso entre los bacteriólogos. Actualmente está divido en cinco volúmenes:
Vol. I: Arqueas, bacterias fotótrofas, bacterias evolutivas antiguas. Vol. II: Los proteobacterias. Vol. III: Bacterias Gram + con bajo contenido en G+C. Vol. IV: Bacterias Gram + con alto contenido en G+C. Vol. V: Espiroquetas, etc.
2. TRASMISIÓN:
Puede ser directa:
Horizontal: besos, relaciones sexuales. Contagio mediante las gotitas expelidas de unos organismos a otros que se encuentran cerca. Vertical: de la madre al feto; puede ser por el canal del parto, o por microrganismos que atraviesan la placenta. Por vectores.
Puede ser indirecta:
Fómites: Mediante objetos. Mediante el agua, productos biológicos.
Es estos dos casos la transmisión puede ser fecal – oral.
Aspiración de gotas del ambiente que provienen de los aerosoles.
- ADHERENCIA:
Los microorganismos tienen que tener una capacidad para adherirse e invadir. Es decir, tiene que ser capaces de adherirse al epitelio o a las mucosas. La adhesión se realiza mediante adhesinas. Actúan como adhesinas los flagelos, las fimbrias, los Pili, las cápsulas, receptores específicos, etc.
- INVASIÓN:
Las vías de entrada pueden ser pasivas (heridas y quemaduras) o activas.
En la vía de invasión activa el microorganismo tiene que ser capaz de dañar, degradar o lisar los componentes proteicos e hidratos de carbono que hay entre las células o sobre las células, o ser capaz de inducir que la célula interiorice al microorganismo. Para la integración se utilizan las invasinas, que reconocen receptores que están en las células pero que tienen una función distinta ( Salmonella reconoce el factor de crecimiento epidérmico.); la bacteria se une al receptor provocando la activación de unas proteínas reguladoras que polimerizan .la actina y la miosina, y todo esto provoca que la membrana se invagine englobando a la bacteria. Posteriormente el microorganismo puede multiplicarse en la vacuola o en el citoplasma. Para pasar a las células contiguas intervienen otra serie de enzimas, que son factores de virulencia: fibrinolisinas, hialuronidasas, neuraminidasas, coagulasas, hemolisinas, etc. (Diapositivas)
TOXICIDAD :
Hay dos tipos de toxinas:
Exotoxinas : Son toxinas que la célula sintetiza y envía fuera. Muchas de las exotoxinas se inactivan a los 60- 80ªC, es decir, no todas son termoestables. Algunas son letales en dosis bajas. El sistema inmune reacciona produciendo antitoxinas, por lo tanto pueden tratarse con toxoides, que son moléculas que provocan una reacción del sistema inmune contra la toxina (toxina inactivada o moléculas similares). No provocan fiebre. Son de cuatro tipos:
o Tipo AB: Tiene dos partes, la parte B que es la reconocida por la célula, esto permite la entrada de la parte A que es la parte tóxica (toxina colérica, botulínica, diftérica).
o De localización específica: Sólo producen daño en un sitio específico (toxina botulínica, tetánica, que afectan al sistema nervioso; citoxinas que actúan sobre un órgano diana, enterotoxónicas que tiene su acción sobre el intestino.) o Desorganizadoras de la membrana: Las que se unen al colesterol formando un canal por el que se escapa el contenido celular; o de tipo fosfolipasas, que se unen a la parte cargada, la cabeza de los fosfolípidos, lo que produce un daño en la membrana lisando la célula. o Súper-antígeno: Provocan que los linfocitos T produzcan citosinas en gran cantidad, lo que provoca un colapso del sistema inmune (entero toxina estafilocócica.)
Endotoxinas : Son sustancias que forman parte de la propia células, y que al lisarse se liberan actuando como toxinas. Una de la consecuencia de estas toxinas es que al producir inflamación provocan fiebres altas. Son termoestables, y producen sepsis, es decir, pasan al torrente sanguíneo produciendo un shock.
BACTERIAS QUE SE TRANSMITEN POR AGUA Y ALIMENTOS:
Son bacterias que entran en el hombre por la vía oral, y como salida pueden salir por la boca o por las heces. Una vez que se ha producido el contagio, la trasmisión puede ser si es por una persona puede ser directo, o en otros casos puede ser agua o alimentos que se han infectado.
En los alimentos distinguimos dos tipos de enfermedades: las infecciones, por multiplicación del patógeno; o intoxicaciones, producidas por la multiplicación del patógeno, deja la toxina en el alimento y produce esta produce la enfermedad. Hay un caso intermedio que son las toxinfecciones, en las cuales la enfermedad se produce por la multiplicación del patógeno, pero además el patógeno tiene la capacidad de producir toxina.
Las bacterias que producen una toxiinfección mediante los alimentos son: Salmonella, Shigella , las especies más tóxicas de Echerichia coli , y Campylobacter.
Las que producen enfermedad por intoxicación son: Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus , etc.
BACTERIAS TRANSMITIDOS POR LOS ALIMENTOS
- SALMONELOSIS: Es una gastroenteritis. En España está producida por Salmonella enteritidis , serotipo no tifoideo. Tiene más de 2000 serotipos, y estos serotipos se diferencian por: el antígeno flagelar, que puede ser tipo 1 o tipo 2; y en el antígeno somático O (parte del lipopolisacárido más externa). Salmonella forma parte de la microbiota normal del intestino, tanto de personas enfermas como de personas portadoras sanas (son los que no teniendo síntomas de la enfermedad son portadores, eliminan Salmonella por las heces); también está presente en el intestino de animales, sobre todo en aves de corral. A partir de estos animales o personas se puede contaminar la comida o el agua; por lo tanto, es siempre una contaminación debida a las heces. Una vez que Salmonella es ingerida, para que se produzca la infección hace falta una dosis infectiva de 10^6 , lo que quiere decir que Salmonella se ha tenido que multiplicar en el alimento (lo que explica por ejemplo, que haya más Salmonelosis en verano que en invierno.) Cuando llega al intestino se une a las células del intestino mediante las fimbrias de tipo 1, y provoca su fagocitosis. Y una vez dentro de la vacuola fagocita se multiplica y produce dos tipos de toxinas: una enterotoxina, que se cree que se relaciona con la diarrea; y una citotoxina, que se cree que está implicada con las modificaciones del equilibrio hídrico del intestino (por ello es el ejemplo típico de toxiinfección, porque se produce una infección y además toxinas.). Cuando se ha producido la multiplicación empiezan los síntomas. Aparecen como muy pronto a las 8 horas, pero lo normal es que aparezcan alrededor de las 48h. Los síntomas más característicos son fiebre alta y diarrea importante, pero también aparecen da mialgia, cefalea, dolores abdominales, náuseas y vómitos. La enfermedad se autolimita de dos a cinco días; pero la eliminación por las heces es de 2 a 4 meses. Es típico que se produzca, además, una artritis reactiva después de padecer la enfermedad. Una artritis es una enfermedad autoinmune, al producirse los complejos antígeno-anticuerpo estos actúan sobre las articulaciones produciendo dolor.
lugar a casi todas las pandemias; y el Thor, que es menos peligroso. Llega al agua y los alimentos mediante las heces. Es una bacteria muy móvil, tiene flagelo, llega al intestino porque tiene unas adhesinas, se necesitan 10^8 para sobrevivir el ácido del estómago. Allí produce la toxina AB , activa la adenilato ciclasa cambiando el equilibrio hídrico del intestino, se comienza a secretar mucho agua y Cl. La toxina está codificada en un bacteriófago, entonces sólo las cepas que están lisogeneizadas son las que producen la toxina. Los síntomas son pérdida de fluidos, puede llegarse hasta 30L/día, lo que produce acidosis y hipokalemia. Uno de los síntomas características son diarreas profusas en forma de “agua de arroz”. La prevención son medidas higiénicas, por ello es normal que aparezca en todas las catástrofes. Se trata con tetraciclinas o fluoroquinolonas y con reposición de electrolitos. Existe una vacuna.
BACTERIAS PATÓGENAS TRANSMITIDAS POR ARTRÓPODOS
- TIFUS EXANTEMÁTICO O TABARDILLO: Bacterias Gram -. Producen tifus exantemático o tabardillo. Producida por Rickettsia prowazekii , que es una bacteria de crecimiento intracelular del intestino del piojo común. La picadura produce el rascado que favorece la entrada de las heces. Entra en el sistema circulatorio produciendo vasculitis. Se divide dentro de las células del endotelio. Produce un exantema en todo el cuerpo, excepto en la cara y las palmas de las manos y de los pies. Son vesículas rojas infectivas producidas por la rotura de los capilares. Si no se tata, afecta al sistema nervioso, a los pulmones y al corazón. La prevención consiste en la eliminación de los vectores. El tratamiento es con tetraciclinas y fluoroquinolonas. Fiebres manchadas: - Rickettsia rickettsii (por garrapatas) - Rickettsia conorii (por garrapatas) Fiebre, dolor de cabeza, exantema, trastornos gastrointestinales.
- ENFERMEDAD DE LYME: Producida por la espiroqueta Borrelia burgdorferi. Su fuente son los ciervos o ratón de campo a animales y hombre. Por tanto, no es necesario el contacto con los animales. Los síntomas aparecen en 3 fases: 1. Eritema en el lugar de la picadura. Una vez que penetra, viaja por la sangre y llega a diferentes zonas, produciendo fiebre, fatiga, dolor de espalda y escalofríos. 2. Se convierte en una enfermedad crónica, generando artritis (enfermedad inmunológica), afecciones neurológicas y cardíacas. 3. Desmielinización con síntomas parecidos al Alzheimer. La prevención es contra garrapatas; hay vacuna. El tratamiento es con tetraciclina y penicilina.
- PESTE: Se transmite por las pulgas y su huésped son las ratas. Llega un momento en el que mueren tantas ratas que la pulga pica a los humanos. La transmisión puede ser por las pulgas, mordeduras de ratas o entre personas por contacto directo. La bacteria es Yersinia pestis , que va por la sangre o el sistema linfático hasta los ganglios linfáticos regionales, donde aparece re el llamado ‘bubón’, que son zonas hinchadas y dolorosas donde lo que ocurre es que las células, que están capsuladas, no pueden ser destruidas y se enquistan. En este punto, la persona puede entrar en shock. Si no se trata, la bacteria pasa a la sangre dando septicemia. Es muy difícil pasar la enfermedad. Aparecen zonas necróticas, delirios, cianosis y, al final, la muerte. La prevención es la mejora de las condiciones higiénicas, eliminación de vectores y huéspedes. El tratamiento es con estreptomicina y cloranfenicol, puesto que actualmente es resistente a penicilina. [La inhalación da lugar a peste neumónica (peste en los pulmones).]
BACTERIAS TRANSMITIDAS POR AIRE
Los vectores de transmisión serán las gotitas y el polvo. Las bacterias Gram + son más resistentes que las Gram - , por lo que provocarán más infecciones de este tipo. Cuando se inhala o aspira, con lo primero que choca son las barreras mucosas, las cuales tratan de impedir la entrada mediante la secreción de moco con gran cantidad de enzimas. Además tiene una gran tasa de renovación y poseen cilios que tratan de expulsarla. Al lado de las mucosas hay tejido linfoide asociado. Muchas bacterias que pueden superarlo: Streptococcus ( pyogenes y pneumoniae ), Staphylococcus aureus , Mycobacterium tuberculosis y Corynebacterium diphtheria.
- Streptococcus pyogenes : Forma parte de los estreptococos β-hemolíticos del grupo A. Estos tienen factores de virulencia como las enzimas estreptoquinasa, que es capaz de disolver los coágulos sanguíneos, y otra serie de enzimas llamadas estreptolisinas, que destruyen los linfocitos. Además, todos tienen cápsula con una proteína ramificada llamada ‘proteína M’, y la propia cápsula que la protege. La proteína m evita la opsonización (opsonizar es recubrir para señal el patógeno, dando una quimiotaxis y así los macrófagos lo fagocitan). Esto lo hacen las proteínas de complemento (Cb3). Está en el tracto respiratorio de portadores sanos, como los niños pequeños. Como el sistema inmune se debilita, van a sufrir otitis, escarlatina (cuando está lisogeneizado por un fago) o impétigo (alrededor de la boca aparecen vesículas rojas con costras infectivas). Una de las consecuencias de las enfermedades post-estreptocócicas son las fiebres reumáticas, que producen una respuesta inmunitaria que daña las válvulas del corazón.
- NEUMONÍA: Producida por Streptococcus pneumoniae; se considera un patógeno oportunista porque pertenece a la biota normal y solo produce neumonía en casos de debilitamiento.
- INFECCIONES ESTREPTOCÓCICAS: Junto con los β-hemolíticos ( S. aureus ), son los productores de enfermedades respiratorias. Es pyogénico. Forma parte de la biota normal, puede desarrollar neumonía bajo determinadas condiciones; también da acné, meningitis y síndrome del shock tóxico (que se da en mujeres que utilizan tampones súper-absorbentes, los cuales producen una absorción de magnesio, que modifica las condiciones de la biota de la vagina).
- TUBERCULOSIS: Es una enfermedad emergente. Gran aumento por el aumento de casos de VIH. La produce el complejo Mycobacterium tuberculosis , que está formado por 4 especies: Mycobacterium tuberculosis, bovis, microti y africanum. Todas ellas pueden generar la enfermedad. Es una enfermedad de obligada declaración. Depende de la virulencia del bacilo Gram +, así como de las defensas. Mycobacterium tuberculosis se inhala a partir de las secreciones de personas con tuberculosis activa. Es una bacteria sensible a la radiación ultravioleta, por lo que es difícil contagiarse al aire libre. Entre las modificaciones arquitectónicas que se han introducido están relacionadas con la tuberculosis.
La tuberculosis es producida en España por el complejo M. tuberculosis (incluye M. tuberculosis, bovivis, africanus y microti). M. tuberculosis resiste muy poco la radiación ultravioleta, por lo que es infrecuente infectarse en la calla a la luz del sol, por lo que lo normal es que se de en sitios cerrados e implica una relación cercana con la persona infectada, quién estornudará o toserá y las gotitas cargadas de M. tuberculosis quedan en el ambiente, que nosotros podemos inhalar. El que uno entre en contacto con M. tuberculosis no implica que se desarrolle la enfermedad, depende del estado del sistema inmune, del número que se inhale, y de la virulencia del patógeno.
Es una bacteria que necesita mucho oxígeno y por eso viaja hasta los pulmones, concretamente en los alveolos. En la zona alveolar se producirá una reacción inflamatoria inespecífica, es decir, que llegan gran cantidad de macrófagos (entre otros tipo de células del sistema inmune), los macrófagos fagocitan a las células, pudiendo llevarlos a los ganglios linfáticos regionales. Por tener una envuelta resistente al ácido y al alcohol (por tener gran cantidad de ácidos micólicos) es resistente a los mecanismos de los macrófagos para destruirlo, por lo que son capaces de multiplicarse dentro del macrófago. Se genera un fenómeno de hipersensibilidad celular, de manera que muy pocos bacilos son capaces de provocar una reacción del sistema inmune exagerada; en este punto hay bacilos libros, macrófagos que quieren fagocitar, macrófagos que ya han fagocitado, y linfocitos T que acuden al lugar, a este conjunto (que es algo
TÉTANOS: Clostridium tetani GANGRENA: Clostridium (C. perfringens, C. septicum y C. histolyticum.)
ENFERMEDADES DE TRANSMISIÓN SEXUAL:
- GONORREA O BLENORRAGIA: Es producida por Neisseria gonorrae (también se le denomina Diplococo, porque se aparea en forma de granos de café). Son cocos Gram negativos, y son muy sensibles a las condiciones ambientales por eso su contagio es sólo por contacto directo. Una vez que se ha producido la transmisión sexual, el gonococo se une a las mucosas (la mucosas del aparato genitourinario, ano, garganta o del ojo); se une por las fimbrias y por las proteínas de tipo II, que actúan como adhesinas, uniéndose al epitelio e induciendo su fagocitosis penetrando dentro de las células, donde se multiplica y comienza a producir el daño. En el hombre, en el aparato genitourinario aparece un exudado de pus con color amarillento cremoso y micción abundante. En la mujer los síntomas aparece más tardes y los síntomas son menos evidentes, a veces no hay ni exudado; hay, además, una mayor dispersión con la menstruación, porque el coco crece mejor con altas concentraciones de hierro. Si no se trata a tiempo, sigue subiendo produciendo infertilidad al llegar al útero y las trompas de Falopio. Es muy importante localizar a todas las personas que hay tenido contacto sexual con el infectado. El nitrato de plata se suele poner en los ojos de los recién nacidos, ahora también se puede poner un antibiótico para prevenir la gonorrea oftálmica (contagiada por la madre infectada), que puede llegar a la ceguera. La prevención es mediante el uso de preservativo. El gonococo es resistente a penicilina. El tratamiento debe darse lo antes posible para evitar problemas de fertilidad.
- SÍFILIS: La produce Treponema pallidum, es una espiroqueta de transmisión sexual. Es capaz de penetrar a través de las mucosas o a través de pequeñas heridas en el epitelio. La sífilis si no se trata tiene tres etapas, si se trata es necesario que se haga en el primer momento. Es muy sensible a la penicilina G, ósea que no presenta problemas si se trata en los primeros momentos; pero si se deja puede llegar a ser muy peligrosa. Una vez que se ha tenido la infección, a través de las mucosas o del epitelio; la bacteria empezará a multiplicarse y en el mismo de la infección produce un chancro sifilítico, es una secreción serosa, no duele, pero es infectivo. Cuando se ha producido el chancro, la bacteria viaja hacia los ganglios linfáticos regionales y el chancro desaparece, este es un problema pues la persona piensa que se ha curado; desde los ganglio linfáticos puede llegar al torrente sanguíneo. En un periodo que puede ir de semanas a años, la bacterias han llegado al torrente sanguíneo y aparecen los síntomas de la sífilis secundaria, que se caracteriza por fiebre, malestar, y por un exantema por todo el cuerpo, a excepción de la boca y los genitales donde aparecen machas blancas. También desaparece de 2 a 6 semanas. Aquí el sistema inmune intentando controlar a las espiroquetas, comienza a desarrollar respuesta de hipersensibilidad, provocando daños que no son debidos al crecimiento de la bacteria sino al crecimiento del sistema inmune. A partir de la sífilis secundaria, durante un tiempo que puede ir de 3 a 30 años, la infección está latente. La hipersensibilidad lleva a la función de granulomas (destrucción del tejido por el sistema inmune) en los órganos, huesos, sistema nervioso, y entonces se habla de neurosífilis, al sistema cardiovascular, cirrosis. El tratamiento es con penicilina. En las primeras etapas donde se observa el chancro se trata con penicilina. La prevención se realiza mediante barreras.
TEMA 25: BACTERIAS DE INTERÉS AMBIENTAL
Las bacterias tienen un gran interés en el medio ambiente en varios aspectos, entre ellos la degradación de compuestos xenobióticos o los compuestos geoquímicos de los elementos. Existen varios ciclos donde son importantes, así como en la autodepuración de los ríos y de aguas residuales.
DEGRADACIÓN DE COMPUESTOS XENOBIÓTICOS:
Un compuesto xenobióticos es aquel que produce el hombre de manera artificial; como no es un producto natural su degradación es muy difícil. En algunos casos son además muy tóxicos (percloroetileno, tricloroetileno, bifenilos
policlorados, estos últimos tienen un gran permanencia en el suelo). Algún ejemplo pueden ser herbicidas o pesticidas. Para la biodegradación los microorganismos pueden utilizar tres mecanismos:
- Cambio pequeño en una molécula. Por ejemplo, un compuesto con dos átomos de cloro que es muy toxico pueden ser modificados por hidroxilos, haciendo la sustancia menos tóxico y utilizable para otros organismos.
- La fragmentación, que implica romper o hidrolizar esa sustancia en otras dos. El problema es que una vez que se han separado pueden volver a reaccionar y volver a dar el primer componente.
- La mineralización, es decir, que el microorganismo es capaz de transformar la sustancia es sus componentes.
Cuando se aplican las capacidades de estos microorganismos a un medio determinado se habla de biorremediación. La biorremediación es la utilización de microorganismos, que pueden venir de fuera o potenciar los de dentro, para la remediación.
Ejemplo : Para deshalojenar los PCBs en las aguas residuales es utilizar la digestión anaeróbica en la que se favorece este proceso. Por lo que sería una biorremediación.
Ejemplo 2 : Degradación del naftaleno por Pseudomonas sp. Estas especies son aquellas que tiene plásmidos metabólicos, estos plásmidos codifican para oxigenasas, que en dos etapas secuenciales son capaces de degradar el naftaleno.
La biodegradación se puede estimular de diferentes maneras:
- Adición de sustancias que faciliten que la bacteria se ponga en contacto con el producto a degradar.
- Adición de nutrientes para facilitar el crecimiento de la bacteria.
- Firorremediación: Utilización de vegetales que capten el producto.
Hay otra técnica, que se denomina bioaumentación:
En el suelo hay microorganismos con determinadas capacidades, que a lo mejor no tienen las capacidades para destruir el producto. En el laboratorio se diseñan entonces bacterias que sí son capaces de degradarlo, pero estas muchas veces no son capaces de sobrevivir en este ambiente hostil. Para evitar este problema se puede:
Incluir un hábitat protector. Es decir, cuando se introducen en hábitats menos hostiles (hojas, por ejemplo), se permite su crecimiento hasta que aumenta la biomasa, generando un hábitat protector.
Incluir un hábitat inerte, generalmente se hace mediante pastillas de arcilla.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.
CICLO DEL CARBONO:
En la naturaleza las fuentes más importantes son la materia orgánica y el CO2. Para la degradación de estos hay que tener en cuenta si el microorganismo es aerobio o anaerobio, por eso el metabolismo del carbono está dividido en una parta aerobia y anaerobia.
Los autótrofos pueden ser fotosintéticos o quimiolitotrofos (algas, plantas verdes, cianobacterias; y aquellos capaces de transformar el CO 2 en compuestos orgánicos.) Los compuestos orgánicos pueden volver a CO 2 mediante la respiración.
En la parte anaeróbica, el CO 2 proviene de los fermentadores. Los microorganismos autótrofos anaerobios son capaces de fijar el CO y transformarlo en materia orgánica (bacterias fotosintéticas anoxigénica). Los sintróficos pueden utilizar el CO 2 y el H 2 (tóxico para los fermentadores) que producen los fermentadores. Este CO 2 y este H 2 también pueden utilizarse para la producción de metano, mediante los metanógenos. Los metanógenos también pueden producir metano a partir del acetato, por lo que con los metanógenos compiten los homoacetógenos, que utilizan el CO y el H para la producción de acetato. El metano luego es utilizado metanotrofos, que son aerobios, produciendo de nuevo CO 2.
Establecen simbiosis, formando lo que se conocen como cianolíquenes, donde el ficobionte es una cianobacteria, en lugar de un alga. Además, establecen simbiosis con helechos del género Azolla, y esto se utiliza para fertilizar los campos de gas, puesto que en ese ambiente hay una mayor fijación de nitrógeno atmosférico, fertilizándolo.
Son bacterias Gram negativas, pueden presentar capas mucosas y a veces, estas capas mucosas, pueden englobar a más de una célula. Poseen carboxisomas, que son acúmulo de la enzima rubisco. En el tilacoide aparecen, de forma paralela, unas agrupaciones que se llaman ficobilisomas, que son acumulaciones de ficobilinas (ficocianina y ficoeritrina), que son pigmentos de antena. Presentan vesículas de gas, que sirven para la flotabilidad. También son comunes de granos de cianoficina, que es un polímero de aspártico y arginina, que le sirven de reservas de nitrógeno.
Los heterocistos son células diferenciadas que aparecen en cianobacterias filamentosas. Estas células tienen unas paredes muy engrosadas, para evitar el difusión del oxígeno; presentan un tilacoide muy desorganizado, y sólo presentan el fotosistema 1. Utilizan la enzima nitrogenasa y son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico, produciendo glutamina. Están comunicadas con el resto de las células, con las que se da trasvase de nutrientes. En los heterocistos, los gránulos de cianoficina se sitúan en los polos.
Son utilizas para colorantes, y la producción de biomasa (Spirulina, muy rica en proteínas, aminoácidos, pero nada de grasa). La utilizanción de las cianobacterias como alimentos se debe a los Aztecas (tecuitlati), y actualmente se utilizan en Japón. Se utilizan como fertilizantes en los campos de arroz. Poseen grandes aplicaciones biotecnológicas pues son resistentes a la contaminación (bioindicadores), y además por ser colonizadores primarios se pueden utilizar para colonizar hábitat.
TEMA 26: ARQUEAS DE INTERÉS AMBIENTAL
Constituyen un dominio separado por sus diferencias con bacterias y eucariotas. Los grupos principales dentro de las Arqueas son: el phylum Euryarqueota (halófilas extremas, metanógenas y grupos sin pared celular como Thermoplasma); Crenarcheota (hipertermófilos y termoacidófilos) y Korarcheota, del que no se sabe mucho actualmente.
PHYLUM EURYARQUEOTA
· HALOBACTERIAS : Estas arqueas van a desarrollarse en ambientes calurosos, con alta insolación, lo que provoca una gran evaporación, por lo que son ambientes secos y una alta concentración de solutos. El soluto principal suele ser la sal, pero en algunos casos puede ser el Mg. Aparte de esto, pueden ser ambientes alcalinos.
Esto hace que las bacterias halófilas requieran de unas adaptaciones. Una de las principales adaptaciones se encuentra en la pared celular; esta pared celular es glicoprotéica, con gran contenido en aminoácidos ácidos, y por lo tanto cargados negativamente (aspártico o glutámico). La alta cantidad de aminoácidos ácidos hacen necesaria que se han estabilizadas con el Na del ambiente.
La membrana posee un alto contenido en pigmentos carotenoides, que además de ser pigmentos accesorios, servían como protectores frente a la luz brillante.
En metabolismos puede ser quimioorganoheterótrofo (utilizan compuestos orgánicos), pudiendo llevar a cabo un metabolismo respiratorio aeróbico, o en ausencia de oxígeno fermentar o llevar a cabo una respiración anaeróbica; también pueden ser autótrofas. Y algunas halobacterias ( Halobacterium salinarum ) presentan, además, una membrana púrpura para llevar a cabo un tipo de foto síntesis que no dependía de pigmentos fotosintéticos. Para llevar a cabo esta fotosíntesis presentan bacteriorhodopsina; esta enzima presenta, como cromóforo el retinal, que puede existir en configuración cis o en configuración trans; de manera que cuando capta un cuanto de luz a una longitud de onda de 570nm, pasa de configuración trans a configuración cis; y esto hace que se envíe un protón fuera de la célula,
generando un gradiente de protones. El gradiente se acopla a una ATPasa de membrana, entran por quimiósmosis, generando ATP por fotofosforilación.
· METANÓGENAS : Viven en ambientes anaerobios, que entonces serían los sedimentos anóxicos de lagos, suelos encharcados, etc. También están en la panza de los rumiantes. En las depuradoras utilizan la producción de metano para autoabastecerse de energía.
Las bacterias pueden producir metano utilizando H 2 como donador de electrones y CO 2 de aceptor; también pueden producirlo a partir de acetato. No tiene cadenas transportadores de electrones, sino unos transportadores de electrones diferentes. Son autótrofas facultativas.
Las bacterias metanógenas son muy diferentes, no sólo en morfología, sino en también según las paredes. Methanobacterium tiene paredes de pseudomureina, Methanosarcina tiene paredes de metanocondroitina (parecido al sulfato de condroitina) y Methanococcus tiene paredes de glicoproteínas. Por lo que en un mismo grupo, cada una tiene una pared celular diferente.
THERMOPLASMAS : Crece a 55ºC y pH 2, es móvil y anaerobia facultativa. Carece de pared celular. Aparece en residuos de carbón.
FERROPLASMA : Tampoco tiene pared celular, no es termófila pero es acidófila.
PICROPHILUS : Es acidófilo, y lo que tiene a modo de pared celular es una capa S.
PHYLUM CRENARQUEOTAS
Son casi todas termófilas o hipertermófilas, y casi todas tienen algo que ver con azufre reducido. Los ambientes son fuentes termales, solfataras, suelos ácidos, etc.
Las crenarqueotas son casi todas termófilas o hipertermófilas y van a vivir en ambientes relacionados con el azufre: Thermoproteus es una anaerobia que utiliza como aceptor final de electrones el azufre; Sulfolobus , puede ser aerobia utilizando compuestos orgánicos o bien, puede tener un metabolismo quimiolitotrofos utilizando compuestos de azufre o azufre elemental; Acidianus es un respirador anaerobio que es capaz de utilizar el hidrógeno como donador de electrones y el azufre el aceptor final, también puede estar en un ambiente aeróbico, donde utilizaría el hidrogeno como aceptor y el azufre como donador.
Sulfolobus es la primara arquea que se descubrió. Tiene una morfología con lóbulos, con pared celular muy fina, que sería una capa S. Las temperaturas óptimas a las que pueden desarrollarse son entre 10-80ºC, y vive en ambientes ácidos. Es un aerobio quimiolitotrofo.
Pyroductium , que tiene un óptimo de crecimiento a 105ºC, tiene una morfología muy extraña, las células tiene forma de disco con un apéndice de proteínas. Estas proteínas se ensamblan como la flagelina, pero no es flagelina. Es anaerobio estricto y quimiolitotrofo.
TEMA 27: BACTERIAS DE INTERÉS INDUSTRIAL
Uno de las cosas importantes es que se pueda cultivas a gran escala, que tenga un crecimiento rápido, que el producto que se obtenga se pueda obtener completo, es decir, por ejemplo, si fuese el etanol, que éste se extraiga perfectamente. El microorganismo es ideal que sea susceptible que sea de manipulación genética, aunque no está permitido en algunas industrias. No debe ser patógeno o producir productos tóxicos, a esto se le llama “GRAS” (Generalmente Reconocido Como Seguro).
CULTIVO A GRAN ESCALA
Se utilizan los biorreactores, que son grandes aparatos en los que caben gran cantidad de libros, y una de las partes fundamentales de un equipamiento a gran escala es la agitación. Es fundamental para homogeneizar la materia y la
Si la sensibilidad es muy alta, es decir, es un proceso delicado, por lo que el escalado sólo se puede hacer aumentado el número de unidades operativas (aumentar el número de recipientes).
PRESERVACIÓN DE CULTIVOS
Los microorganismos deben ser preservados, así como sus características. Esto es necesario porque lo más común es que el microorganismo no sea igual que el que se puede encontrar en la naturaleza, sino que normalmente se llevan procesos de modificación genética, etc. Por lo que si se pierde la cepa industrial, pierdes todo.
- Transferencias periódicas: Es decir, resembrar continuamente. Tiene el problema de que si se da demasiados pases, se puede acabar seleccionando un mutante, perdiendo así las características de la cepa.
- Liofilización: Implica la congelación y descongelación, y el tratamiento de las células con glicerol y luego descongelar. O la ultra-congelación con nitrógeno líquido.
OBTENCIÓN DE PRODUCTOS DEPENDIENDO DEL TIPO
Cuando el producto que se quiere obtener es un metabolito primario (ácido acético), a partir del sustrato del crecimiento se obtiene células y el metabolito. Es decir, la producción del metabolito va a suceder al mismo tiempo que sucede el crecimiento. ¿Cuál puede ser el problema de la producción de un metabolito primario o de una parte de la célula de interés? Que la célula impone muchos controles a esa producción; por ejemplo, los aminoácidos se ven sometidos a una serie de controles (retroinhibición, por ejemplo.).
Cuando se trata de un metabolito secundario, se obtiene a partir del sustrato de crecimiento células y metabolito primerio, y luego a partir de esas células se obtendrá el metabolito secundario. El metabolito secundario se produce en la fase estacionaria del crecimiento. En la producción de metabolitos secundarios se observan dos fases:
Tropofase: Dónde las células están creciendo y están agotando el sustrato. Idiofase: Es la fase de producción del metabolito secundario, y que viene a continuación de la tropofase.
Por tanto es fácil separar la fase de producción (suele coincidir con la fase estacionaria), de la fase de crecimiento celular
EJEMPLOS
Clostridium, Bacillus, Streptomyces, Corinebacterias…
Bacterias acéticas:
Son aerobias estrictas, Gram negativas y móviles. Hay dos géneros importantes:
Acetobacter: Lleva acabo una oxidación completa del etanol, que será el sustrato de la respiración aeróbica, produciendo CO 2 y H 2 O. Gluconobacter: Es un caso atípico para un caso de una bacteria respiradora aerobia, puesto que no lleva acabo la oxidación completa del etanol; sólo produce ácido acético, que desde el punto de vista industrial es mejor. Luego es capaz de oxidar el ácido acético.
El etanol se puede utilizar para sidras, vinos, u otros tipos de bebidas. Si se utiliza una mezcla de agua y etanol se obtiene vinagre destilado (se destila el alcohol, pero se le llama vinagre destilado.) La producción de ácido acético se puede llevar a cabo mediante métodos químicos, pero no tiene las características organolépticas del producido por bacterias.
MODOS DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO :
MÉTODO DE ORLEANS : Consiste en poner el vino en tinajas abiertas grandes pero no muy altas, de manera que las bacterias, puesto que son aerobias, se van a desarrollar en la capa superficial formando una película. El
rendimiento es muy bajo, porque las bacterias sólo están en la superficie y sólo pueden desarrollarse en esa película; para aumentar el rendimiento se utiliza el método de goteo o generador de vinagre. MÉTODO DE GOTEO O GENERADOR DE VINAGRE : Puede estar en funcionamiento hasta 15 años, y es por tanto un proceso de fermentación continua. Para aumentar la superficie y el número de células se llena el recipiente de virutas de madera, y se añade el etanol que las bacterias van oxidando, y así las bacterias se desarrollan con una mayor superficie. MÉTODO DE BURBUJEO : Lo que se utiliza es un biorreactor dónde se hace burbujear aire. Funciona también de manera continua, así las células crecen continuamente en las condiciones adecuadas y con la superficie suficiente para desarrollarse.
Estas bacterias afectan a la industria de producción de alcohol, puesto que la contaminación puede convertir el etanol en vinagre
Bacterias lácticas :
Son bacilos, anaerobias aertolerante (prefieren la ausencia de oxígeno, pero lo toleran, lo que implica tener determinadas enzimas.
VIA HOMOFERMENTATIVA : A partir de la glucosa se producen dos de ácido láctico. VIA HETEROFERMENTATIVA : Este tipo de fermentación se debe a que en la glucolisis la glucosa6-P se transforma en fructosa-1,6-biP; pero estas bacterias carecen de la enzima fructosa bi-P aldolasa, por lo que no puede transformar la fructosa-1,6-biP en dos moléculas de gliceraldehido-3-P; para llegar a este punto se lleva otra ruta ( Ver en diapositivas ) para dar al final acetil-P, se obtiene etanol, y gliceraldeido-3-P del que se obtiene ácido láctico.
Así las rutas homofermentativas producen sólo ácido láctico, mientras que en la heterofermentativa se produce una mezcla de ácido láctico y etanol.
MICROBIOLOGÍA DE LOS ALGUNOS DERIVADOS LACTEOS: Hay que saberse los nombres que vienen en las diapositivas del yogurt, mantequilla y leche ácida.
TEMA 28: BACTERIAS PRODUCTORAS DE ANTIBIÓTICOS
La mayoría son actinomicetos, que son bacterias gram positivas, filamentosas, y tienen un crecimiento formando micelios. Las células dan lugar a hifas que no tienen septos en sitios regulares, es decir, son irregulares y ramificadas; crecen por el ápice. Cuando el crecimiento es grande, hay hifas que crecen hacia arriba, de forma aérea; y esto da lugar a los esporóforos, que van a ser partes del micelio a partir de los cuales se forman las esporas. Viven en suelos alcalinos y bien drenados. Como cualquier bacteria que vive en el suelo, son bacterias muy versátiles nutricionalmente, porque las condiciones del suelo varían; además producen enzimas hidrolíticas. La necesidad de crecer en suelos bien drenados es que son aerobios estrictos. Poseen genomas bastante grandes.
Producen antibióticos para eliminar competencia. En el suelo las células no crecen en fase exponencial, van a estar creciendo poco a poco, es decir, se asemeja más a un cultivo continúa con baja cantidad de nutrientes; de manera, que están fundamentalmente en forma estacionaria, que es cuando producen los antibióticos.
Para la obtención de cepas que producen antibióticos se puede seguir una aproximación clásica u otro tipo de aproximación más enfocada. ¿Por qué es necesaria la búsqueda de nuevos antibióticos? Porque cada vez hay más número de especies y cepas resistentes y por tanto es necesario seguir la búsqueda.
La aproximación clásica se haría : Se va a un lugar, en este caso al suelo, se realiza una dilución de suelo; esta dilución se siembra en una placa. Se incuba, y entonces, al cabo de un tiempo, aparecen una serie de colonias, algunas serán productores de antibióticas y otras no. Para saberlo, lo que se hace es añadir una capa de agar fundido mezclado con una bacteria susceptible, sobre la placa donde se había sembrado la dilución de suelo; la bacteria crecerá en forma de
Se prepara un ánodo y un cátodo separados por una membrana semipermeable. El ánodo está en un ambiente anaerobio, y el cátodo en un ambiente aerobio. Entonces, el ánodo se recubre, todo alrededor, de la bacteria; y en este ambiente se pone todo lo que haga falta para que se desarrolle; de manera que produce electrones de la oxidación del compuesto orgánico. Los electrones viajan por los pilis hasta la resistencia; además se produce CO y protones que atraviesan la membrana semipermeable. Los electrones, al haber puesto una resistencia, generan un trabajo y permiten acoplar un pequeño dispositivo, por ejemplo un bombilla, y producir luz. El CO 2 se va a la atmósfera, y los protones y los electrones, que han viajado por la resistencia, y el oxígeno que está donde está el cátodo, producen agua. Es decir, es un proceso de producción de electricidad que el único residuo que genera es agua y CO2.
