Clases

Historia

Los microorganismos fueron descubiertos en 1675 por el comerciante holandés Anton van Leeuwenhoek, hábil tallador de lentes de microscopio, que observó millares de lo que él llamó "animalículos" en numerosos medios: en el agua de lluvia, en el vinagre, sobre los dientes, etc.

Pero es Louis Pasteur quien es considerado el padre de la microbiología. Pasteur descubrió que también hay miles de microorganismos suspendidos en el aire, y contribuyó (junto a otros científicos) a demostrar que son los microorganismos los responsables de la descomposición de la materia orgánica cuando acceden a ella, mientras que la materia orgánica no se descompone si se la protege adecuadamente del acceso de los microorganismos. De este modo se desterró del panorama científico la vieja teoría de la generación espontánea, que afirmaba que muchos seres vivos no se desarrollaban a partir de otros, sino que aparecían espontáneamente a partir de la materia orgánica en descomposición. Pasteur también descubrió el modo de vida anaeróbico (sin O₂), demuestra que todas las fermentaciones son transformaciones químicas de la materia orgánica realizadas por los microorganismos, elabora numerosas vacunas y desarrolla la pasteurización, un método de esterilización parcial de los alimentos a temperaturas de 60ºC a 75ºC, que permite eliminar solo a los microorganismos patógenos.

Clasificación

Los microorganismos se definen como los seres vivos que solo pueden ser observados mediante el microscopio. Son por ello un grupo taxonómicamente heterogéneo, que incluye a los siguientes grupos:

• Microorganismos acelulares: no se les considera seres vivos:
  • Virus: fragmentos infectivos de ADN o ARN rodeados de una cápsida de proteínas.
  • Priones: variantes anómalas e infectivas de proteínas.
  • Viroides: fragmentos infectivos de ARN.
• Microorganismos celulares:
  • Con célula procariótica: sin núcleo ni orgánulos membranosos; ribosomas 70 S; 1 cromosoma. Solo tienen reproducción asexual.
    • Bacterias (R. Moneras): cosmopolitas; con todos los tipos de metabolismo; con pared celular de peptidoglucano; genes sin intrones; ADN sin histonas.
    • Arqueas (R. Moneras): muchas son extremófilas; muchas son quimioautótrofas litótrofas (quimiosintéticas); con pared celular con pseudopeptidoglucanos; genes con intrones; ADN con histonas.
  • Con célula eucariótica: con núcleo y orgánulos membranosos; ribosomas 80 S; >1 cromosoma; ADN con histonas; genes con intrones. Tienen reproducción sexual (y a veces también asexual).
    • Algas unicelulares (R. Protistas): fotoautótrofas, con cloroplastos; pared celular de celulosa.
    • Protozoos (R. Protistas): quimioheterótrofos fagótrofos (fagocitan alimentos); sin pared celular.
    • Hongos unicelulares (levaduras) o filamentosos (mohos) (R. Hongos): quimioheterótrofos osmótrofos (absorben nutrientes); pared celular de quitina.

Los Virus

Los virus son organismos acelulares. Las partículas víricas, llamadas viriones, están formadas únicamente por:

• A veces una membrana plasmática de tipo unitario.
• Una cubierta proteica llamada cápsida.
• Una o varias moléculas de ácido nucleico.
• A veces alguna enzima (como la retrotranscriptasa del VIH).

Además, funcionalmente:

• Los virus carecen de metabolismo propio y son incapaces de realizar intercambios de materia y energía con el entorno: los virus no se nutren y no crecen.
• Sí desempeñan la función de relación, pero está limitada al reconocimiento de los receptores de membrana de las células que parasitan.
• Su función de reproducción consiste en la replicación de su genoma, en la biosíntesis de las proteínas de la cápsida, y en el ensamblamiento de todo ello en viriones hijos, pero nunca de forma autónoma, sino siempre dentro de las células hospedadoras y utilizando su energía (ATP), su maquinaria metabólica (ARNt, ribosomas, enzimas) y sus biomoléculas precursoras (aminoácidos, nucleótidos).
• Los virus son, pues, parásitos obligados de células. Fuera de ellas carecen de actividad alguna.

Por ambos motivos (su estructura y su funcionamiento), los virus no son considerados seres vivos. No son más que pequeñas unidades de información genética, que contienen codificada la mínima información necesaria para desarrollar un muy limitado ciclo vital que les permite su perpetuación.

Clasificaciones:

• Según el organismo al que parasiten: virus animales, virus vegetales o bacteriófagos (= fagos).
• Según tengan membrana o no: virus envueltos o virus desnudos.
• Según la forma de la cápsida: helicoidales, icosaédricos o complejos.
• Según el ácido nucleico: virus de ADN o virus de ARN.

Estructura

La cápsida está formada por subunidades proteicas globulares ensambladas, los capsómeros, que a menudo son idénticos. La cápsida puede tener forma:

• Icosaédrica: 20 caras triangulares; virus de la polio.
• Cilíndrica: capsómeros dispuestos helicoidalmente; virus de la rabia.
• Compleja: cabeza poliédrica y cola cilíndrica con placa basal que permite la inyección del ácido nucleico en la célula parasitada; fago T4.

La cápsida puede estar rodeada por una envoltura lipoproteica, que es membrana plasmática tomada de las células parasitadas durante la exocitosis de la fase de liberación, pero que contiene glucoproteínas de superficie, codificadas en el genoma vírico, que sirven para el reconocimiento de las células a infectar. Estos virus se llaman virus envueltos. La mayoría de los virus animales son virus envueltos: VIH, coronavirus, virus de la gripe...

El ácido nucleico de los virus puede ser ADN o ARN (nunca los dos a la vez), monocatenario o bicatenario y circular o lineal. Constituye el material hereditario del virus. Contiene unos pocos genes, entre los que están los que codifican para la inactivación parcial del metabolismo de la célula parasitada y para la síntesis de sus capsómeros.

A veces está presente algún enzima propia, como la retrotranscriptasa de los virus de ARN, que copiará este a ADN bicatenario, capaz de integrarse en algún cromosoma de la célula parasitada.

Fases del ciclo vital: ciclo lisogénico

El VIH desarrolla este tipo de ciclo.

Fijación o Adsorción

El virus tiene unas proteínas de reconocimiento ancladas a la cápsida o a la envoltura; están codificadas por el genoma del virus. Estas proteínas reconocen y se unen específicamente a unos receptores de superficie que hay en las células que parasita cada clase de virus. Así el virus de la hepatitis B reconoce específicamente a las células del hígado, el de la gripe reconoce a las células de los alveolos pulmonares, y el VIH a linfocitos T y macrófagos.

Penetración

• Si es un virus desnudo complejo (como el fago T4), inyectará su ácido nucleico en la célula tras perforar su pared con lisozima o algún otro enzima lítico.
• Si es un virus desnudo de otro tipo, penetra por endocitosis, de modo que quedará rodeado por una vesícula de membrana plasmática. Después el ácido nucleico se liberará tanto de la membrana como de la cápsida.
• Y si es un virus envuelto (como el VIH), se produce la fusión de su envoltura con la membrana de la célula; una vez dentro de esta el ácido nucleico se liberará de la cápsida.

Eclipse o Latencia

Se llama así porque no se observan viriones en el interior de la célula con el microscopio electrónico.

Los virus que desarrollan ciclo lisogénico integran su ácido nucleico en un cromosoma de la célula infectada. Esto es algo que los virus de ADN bicatenario pueden hacer directamente. Pero el resto necesita copiar su ácido nucleico a ADN bicatenario. En el caso de los virus de ADN monocatenario, este dirige la fabricación de la cadena de ADN complementaria utilizando una ADN-polimerasa de la célula. Y en el caso de los retrovirus, que son virus de ARN, estos llevan consigo una enzima especial, la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, gracias a la que se fabrica una molécula de ADN bicatenario a partir del ARN vírico.

La interación del virus en el ADN celular puede provocar el desarrollo de un tumor si se integra en un lugar de un cromosoma donde se ubica un gen que regula (inhibe) la reproducción celular, inutilizándolo. Así sucede con el cáncer de cuello uterino, el de hígado o la leucemia.

Una vez que el ácido nucleico vírico, en forma de ADN bicatenario, se integra en un cromosoma de la célula infectada, suele permanecer un tiempo inactivo, sin expresar sus genes: se dice que se encuentra en estado de latencia, como provirus. A estos virus se los llama por ello virus atemperados o atenuados. El provirus puede permanecer en estado de latencia durante varias generaciones de células, replicándose con el ADN celular y transmitiéndose a las células hijas.

Ensamblaje

En determinadas circunstancias aparece un estímulo que reactiva al provirus, el cual se separa del ADN celular y comienza a expresar sus genes.

La expresión de los genes víricos trae consigo:

• En algunos casos, el desarrollo de un tumor, cuando el virus contiene genes tumorales (oncogenes).
• La inactivación de algunos genes del genoma celular, lo que acarrea una inactivación parcial del metabolismo de la célula, y así esta deja de invertir tiempo, materia y energía en actividades que no llevan a la propagación del virus, el cual toma de este modo el control total de la actividad celular.
• La síntesis de los componentes de nuevos viriones, aprovechando la maquinaria metabólica de la célula (enzimas de la transcripción y de la traducción, aminoácidos, nucleótidos, ribosomas, ARNt, ATP, etc.):
  • Múltiples copias del ácido nucleico vírico:
  • Múltiples unidades de los capsómeros de la cápsida;
  • De haberlos, múltiples unidades de los enzimas del virus: transcriptarsa inversa, endolisinas...
• El ensamblaje de los capsómeros en torno a cada copia de ácido nucleico vírico y los enzimas víricos (si los hay), formándose así numerosos viriones.

Liberación

Los viriones hijos abandonan la célula hospedadora en busca de nuevas células que infectar.

• Los virus desnudos utilizan enzimas líticos (endolisinas) para hacer poros en las envolturas celulares (membrana, pared) y salen a través de ellos. Se produce la lisis y muerte celular.
• Los virus envueltos abandonan la célula hospedadora mediante un proceso similar a la gemación: inducen la aparición de vesículas en la membrana celular y así se acaban separando de la célula. En este caso no se produce la lisis celular, al menos no de forma inmediata, pero sí suele sufrir alteraciones en su estructura y en su funcionamiento.

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Ciclo lítico

El SARS-CoV-2 desarrolla este tipo de ciclo.

En este caso el ácido nucleico vírico comienza a replicarse y a expresar sus genes inmediatamente tras la infección, por lo que no hay integración en el genoma celular ni fase de eclipse (latencia).

Los Viroides

Los viroides son simples moléculas desnudas de ARN monocatenario circular, con forma de varilla, de 300 a 400 nucleótidos. No codifican proteína alguna, según parece. Tienen capacidad de penetrar en las células de algunas plantas vasculares (tomate, patata), donde se limitan a replicarse a costa del metabolismo de la célula hospedadora. Causan enfermedades relacionadas con el atrofiamiento en las plantas infectadas al alterar la expresión del genoma celular.

Los Priones

Los priones son los agentes causantes de unas enfermedades llamadas encefalopatías espongiformes que afectan al hombre (donde, entre otros, recibe los nombres de kuru y enfermedad de Creutzfeldt-Jacob) y a otros mamíferos como las vacas (enfermedad de las vacas locas) y las cabras y ovejas (prurito lumbar, tembladera). Esta enfermedad conduce siempre a la muerte. Los síntomas en humanos son depresión, alteraciones en el comportamiento, insomnio, deterioro de la coordinación psicomotriz (temblores musculares) y, al final, demencia. El cerebro de los individuos muertos aparece perforado por una serie de cavidades y canales.

Parece ser que los priones son proteínas con poder de propagación entre las células de los organismos a los que acceden pasivamente: se transmiten entre individuos de la misma o de diferentes especies cuando un individuo ingiere las vísceras del cadáver de otro que padecía la enfermedad. Es decir, son infectivas, pero no contagiosas. Además tendrían poder de autorreplicación, que consistiría en lo siguiente: el prión sería la forma patógena de una proteína que se encuentra en las membranas celulares de muchas de las células del sistema nervioso y de otros tejidos de los mamíferos y de aves, y que es necesaria para el correcto funcionamiento del organismo; pero parece ser que cuando la forma patógena se pone en contacto con la forma normal, aquella induce un cambio en la conformación de esta, que se transforma en patógena. Sería algo así como el mordisco del vampiro o como un efecto dominó.

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Las Bacterias

Constituyen uno de los 3 dominios de seres vivos.

Características generales

• Tamaño y forma:
  • Unicelulares.
  • Diámetro: 0,1 micras (Mycoplasma) a 750 micras (Thiomargarita namibiensis).
  • Morfotipos: cocos (redondos), bacilos (elipsoidales o alargados), espirilos (sacacorchos), vibrios (espirilos de menos de una vuelta).
• En común con arqueas y diferente de eucariontes:
  • Sin membrana nuclear.
  • Sin orgánulos membranosos.
  • Ribosomas 70 S.
  • Un único cromosoma circular.
• Diferente de arqueas:
  • Pared celular con peptidoglucano (= mureína).
  • 2 capas de fosfolípidos en la membrana plasmática, con ácidos grasos lineales, unidos por enlaces éster a la glicerina (como eucariontes).
  • ADN sin histonas.
  • Genes sin intrones.
  • Aminoácido iniciador de la traducción: formilmetionina.
• Modo de vida:
  • De vida solitaria o como colonias con reparto de funciones muy limitado (cianobacterias filamentosas con células fotosintéticas aerobias y con células fijadoras de N₂ anaerobias).
  • Cosmopolitas: colonizan toda clase de ambientes;
  • Libres o asociadas a otros seres vivos: parásitas (Salmonella), comensalistas (Escherichia coli), en simbiosis (Rhizobium)...

Estructura celular

La composición de la célula bacteriana es la siguiente:

• Cápsula (solo en patógenas de animales superiores).
• Pared celular.
• Membrana celular.
• Prolongaciones celulares (pueden faltar).
  • Flagelos procarióticos.
  • Pili (= pelos) y fimbrias.
• Protoplasma (= citoplasma).
  • Citosol.
  • Inclusiones citoplasmáticas (según el modo de vida de la bacteria).
  • Ribosomas 70 S.
  • 1 cromosoma circular y plásmidos no rodeados de membrana.
  • Sin orgánulos membranosos.

Cápsula

Es la envoltura más externa. Compuesta por polisacáridos. Solo en bacterias patógenas de animales.

Sus funciones principales son:

• Permite la formación de colonias.
• Permite la adhesión a superficies y a células infectadas.
• Sirve de barrera protectora frente a...
  • los anticuerpos y células de los sistemas inmunitarios de los animales;
  • los virus bacteriófagos;
  • la desecación.

Pared celular

Es una envoltura rígida que rodea a las membranas celulares de todas las células bacterianas (salvo en los micoplasmas).

Su componente fundamental es un peptidoglucano llamado mureína. La parte glucídica es un heteropolisacárido formado por N-acetilglucosamina (NAG) y Ácido N-acetilmurámico (NAM). La parte peptídica consiste en cadenas de cuatro aminoácidos que van enlazadas a cada molécula de NAM. La mureína consiste en una malla tridimensional de cadenas paralelas del heteropolisacárido NAM-NAG unidas unas a otras a través de los aminoácidos.

Hay solo dos tipos de paredes celulares bacterianas que se distinguen al microscopio óptico por el diferente color que toman con la Tinción de Gram:

• Gram-positivo: hasta 40 capas de mureína. Toman color púrpura/violeta al fijarse en ella el colorante "cristal violeta" de la tinción de Gram.
• Gram-negativo: sobre 1 sola capa de mureína hay una membrana externa semejante a las membranas plasmáticas (bicapa lipídica intercalada por proteínas). No retienen el cristal violeta de la tinción de Gram tras ser lavadas con alcohol, por lo que se tiñen luego con la safranina: da color rojo/rosa.

Funciones:

• Da forma a la célula.
• Permite el paso de sustancias de bajo peso molecular.
• Su función principal es proteger a la célula de un choque osmótico en un medio hipotónico. La lisozima (en sangre, saliva, mucusidades y lágrimas) la destruye y las penicilinas (antibióticos) impiden su fabricación; por ello ambas sustancias dejan inermes a las bacterias frente a la lisis osmótica.

Membrana celular

Es una membrana plasmática o unitaria típica.

Funciones:

• Delimita a la célula.
• Regula los intercambios de iones, nutrientes y sustancias de desecho con el exterior.
• Colabora en la replicación del ADN, para lo que el cromosoma bacteriano está unido a ella.
• En ella están los fotosistemas de las bacterias fotosintéticas.
• Contiene los enzimas de la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa de la respiración.
• Contiene los enzimas propios de las bacterias fijadoras de N₂ y de las bacterias nitrificantes.

Ribosomas

Libres en el citoplasma. Su composición y funcionamiento es semejante al de los eucarióticos, pero son algo menores: su velocidad de sedimentación es de 70 S.

Inclusiones citoplasmáticas

Libres en el citoplasma y carentes de membrana plasmática.

Tipos:

• Carboxisomas: acúmulos de RuBisCO, para el ciclo de Calvin de la fotosíntesis o la quimiosíntesis;
• Vesículas de gas, para la flotación de las células que las poseen;
• Gránulos de reserva de nutrientes (almidón, glucógeno, lípidos, proteínas, polifosfatos...);
• Acúmulos de productos de desecho del metabolismo;
• Gránulos de magnetita, para la orientación de las células que las poseen.

Material hereditario

• Cromosoma bacteriano: 1 molécula de ADN bicatenario circular asociado a proteínas no histonas (para su plegamiento y compactación), unido a la membrana plasmática, y situado en una región del citoplasma llamada nucleoide.
• Plásmidos: hasta 20 moléculas pequeñas de ADN bicatenario circular con replicación autónoma. Contienen genes que confieren capacidad adaptativa en ambientes hostiles (p.e. la resistencia a antibióticos). Pueden ser transferidos por conjugación a otras bacterias.

Flagelos

Son prolongaciones proteicas largas y huecas que están ancladas mediante un disco rotatorio a la membrana celular de muchas bacterias.

Sirven para el desplazamiento de las bacterias que los poseen mediante un movimiento de rotación helicoidal.

Su ultraestructura es diferente de la de los undulipodios eucarióticos (cilios y flagelos): los bacterianos carecen de microtúbulos de tubulina; en su lugar están formados por filamentos de la proteína flagelina.

Pelos (= pili) y fimbrias

Son tubos proteicos cortos y huecos que están anclados a la pared celular de muchas bacterias Gram-negativas.

Los pili sirven para transferir ADN de plásmidos mediante la conjugación bacteriana.

Las fimbrias sirven para permitir la adhesión de las bacterias a superficies o a otras células.

Funciones biológicas

Relación

• Movilidad: (normalmente por flagelos) ante la luz (fototaxia), toxinas o nutrientes (quimiotaxia).
• Formación de esporas, como en Bacillus o Chlostridium:
  • Son formas de resistencia a condiciones ambientales adversas: sequedad, altas temperaturas, radiación de alta energía, pH extremo, toxinas...
  • La célula protege su ADN con una cubierta interna (endospora), que luego queda expuesta, y entra en estado de latencia (metabolismo ralentizado).
  • La espora germina al retornar las condiciones favorables.

Reproducción

Siempre es asexual. Consiste en la división de la célula madre en una o varias células hijas mediante simple bipartición, división múltiple, gemación o esporulación. Esto ocurre después de que se haya replicado el cromosoma. Nunca se dividen por mitosis o meiosis.

En las bacterias nunca hay reproducción sexual (fusión de dos células diferentes). Sí hay unos mecanismos parasexuales de intercambio de genes entre distintos individuos bacterianos, que pueden ser incluso de especies diferentes, mediante los que algunos fragmentos de ADN pasan de unas células bacterianas a otras. Hay 3 tipos:

• Conjugación: Una bacteria donadora transmite plásmidos a través de los pili a una bacteria receptora. Si un plásmido se integra ocasionalmente en el cromosoma bacteriano, puede llevarse algunos genes de este cuando se separe, y transferirlos también por conjugación.
• Transducción: Un virus arrastra ADN entre dos células bacterianas parasitadas consecutivamente.
• Transformación: Una bacteria incorpora a su protoplasma fragmentos de ADN libres en el medio.

Las colonias bacterias cultivadas muestran un crecimiento en 4 fases:

• Fase de latencia: se produce la adaptación a las nuevas condiciones de cultivo.
• Fase exponencial: la velocidad de crecimiento es máxima.
• Fase estacionaria: la velocidad de crecimiento se iguala a la velocidad de muerte celular.
• Fase de muerte: el número de células que mueren es mayor que el de las que se dividen.

Nutrición

El de las bacterias es el grupo de seres vivos que tiene la mayor versatilidad nutricional de todos, ya que en conjunto sus especies desarrollan todos los tipos de metabolismo existentes:

• Las fotoautótrofas incluyen a las cianobacterias, que realizan la fotosíntesis oxigénica; y a las bacterias púrpuras y verdes del azufre, que hacen un tipo de FS anoxigénica en el que los electrones los toman del H₂S.
• Las fotoheterótrofas son las bacterias verdes no del azufre: hacen un tipo de FS anoxigénica en el que el C y los electrones los toman de moléculas orgánicas.
• Las quimioautótrofas litótrofas o quimiosintéticas. Un ejemplo son las bacterias nitrificantes, que oxidan el NH₄⁺ hasta NO₂^- y NO₃^- para extraer el ATP y el NADPH⁺ que necesitan para realizar el Ciclo de Calvin.
• Las quimioheterótrofas consumen biomoléculas orgánicas como fuente tanto de C como de energía. Pueden ser fermentativas (si las moléculas orgánicas que consumen las transforman en moléculas orgánicas más sencillas, algunas de las cuales son de utilidad para el hombre, como el etanol de las bebidas alcohólicas); o respiratorias (si las moléculas orgánicas que consumen las degradan completamente a CO₂ y H₂O). La respiración puede ser aerobia o anaerobia (con o sin O₂).

Además hay bacterias fijadoras del N₂ atmosférico a NH₄⁺, proceso que constituye la principal forma de entrada del nitrógeno en todos los ecosistemas de la Tierra. Las hay de vida libre (como la cianobacteria filamentosa Nostoc) o endosimbiontes (como Rhizobium, que forma los nódulos de las raíces de las leguminosas).

Y hay bacterias aerobias (necesitan vivir en medios con O₂), anaerobias estrictas (necesitan vivir en medios sin O₂) y anaerobias facultativas (pueden vivir en medios con y sin O₂).

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Grupos especiales de bacterias

Cianobacterias

Las cianobacterias son bacterias fotoautótrofas Gram- que realizan la fotosíntesis oxigénica gracias a la clorofila a (como las plantas y las algas) y a la ficocianina, pigmento que les confiere su color azulado.

La masiva actividad fotosintética de las cianobacterias fue la causa principal del mayor cambio ambiental de la Historia de la Tierra: el paso a una atmósfera rica en O₂, durante el segundo tercio de su existencia.

Las cianobacterias parecen ser los precursores de los cloroplastos de las células de las algas y de las plantas, a cuyos ancestros se habrían incorporado por endosimbiosis.

Su citoplasma contiene...

• Sáculos de membrana plasmática que contienen los pigmentos fotosintéticos.
• Carboxisomas, orgánulos donde se encuentra la enzima RuBisCO, que fija el CO₂ durante la FS.

Bastantes cianobacterias pueden fijar N₂ atmosférico en unas células especializadas denominadas heterocistes, gracias a que poseen la enzima nitrogenasa, la cual requiere un ambiente anaeorobio (por lo que se inactivaría en una célula que realize la fotosíntesis).

Pueden ser unicelulares o formar colonias filamentosas.

Pueden tener vida libre o ser endosimbiontes de otros organismos.

Micoplasmas

Son los seres vivos más pequeños que se conocen. Su membrana celular sí tiene colesterol. Carecen de pared celular: por ello son resistentes a la penicilina y sensibles a la lisis osmótica.

Cambian de forma según el ambiente (son pleomórficas) y forman colonias con aspecto de huevo frito.

Son endosimbiontes de animales o plantas, por lo que son quimioheterótrofos que viven como parásitos o comensales. Algunos son patógenos humanos responsables, por ejemplo, de una forma de neumonía.

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Las Arqueas

Constituyen uno de los 3 dominios de seres vivos.

En común con bacterias y diferente de eucariontes

• Sin membrana nuclear.
• Sin orgánulos membranosos.
• Ribosomas 70 S.
• Un único cromosoma circular.

Diferente de bacterias

• Pared celular con pseudopeptidoglucanos.
• 1 capa de fosfolípidos en la membrana plasmática, con ácidos grasos ramificados, unidos por enlaces éter a la glicerina.
• Membrana plasmática con colesterol (como las células animales y los micoplasmas).
• ADN con histonas (como eucariontes).
• Genes con intrones (como eucariontes).
• Aminoácido iniciador de la traducción: metionina (como eucariontes).

Modo de vida

• Muchas son quimioautótrofas litótrofas (= quimiosintéticas): C de CO₂ y energía de moléculas inorgánicas.
• Muchas habitan en lugares con condiciones extremas:
  • Las termófilas e hipertermófilas viven en aguas que llegan a los 170ºC (en torno a géiseres o fumarolas submarinas).
  • Las termoacidófilas prefieren las aguas muy cálidas y de pH inferior a 5.
  • Las halófilas viven en aguas hipersalinas (mar Muerto).
• Las metanógenas viven en medios anaerobios ricos en materia orgánica, como las ciénagas o la panza de los rumiantes. Allí sintetizan CH₄ a partir del H₂ y del CO₂, procedentes de la descomposición de la materia orgánica por otras bacterias. Se pueden utilizar en E.D.A.R. en la fase de degradación anaerobia de la materia orgánica; el CH₄ producido se puede usar como fuente de electricidad en una central térmica.

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Los Microorganismos y la Enfermedad

Historia

El médico inglés Joseph Lister desarrolló la antisepsia quirúrgica, que consistía en evitar la presencia de microorganismos durante las intervenciones quirúrgicas en las manos, en el instrumental médico y en el ambiente; esto lo hacía simplemente lavando con jabón. Consiguió una gran disminución del número de fallecidos tras las intervenciones, con lo que demostró de forma indirecta la relación entre microorganismos y enfermedades.

La primera demostración concluyente de que era un microorganismo el agente causante de una enfermedad en animales superiores la dio el médico alemán Robert Koch. Koch observó que la bacteria Bacillus anthracis estaba siempre presente en la sangre de animales afectados por la enfermedad del carbunco o ántrax, que afecta al ganado, a otros animales y a los humanos; y que nunca estaba presente en la sangre de animales sanos. Además aisló la bacteria y obtuvo cultivos puros de ella. Y en tercer lugar consiguió transmitir la enfermedad a ratones inyectándoles muestras de estos cultivos puros de B. anthracis.

Basándose en el método que había seguido, estableció en 4 postulados las condiciones que han de cumplirse para afirmar la relación directa de un microorganismo con una enfermedad:

• El microorganismo ha de estar presente en todos los casos de la enfermedad.
• El microorganismo se ha de poder extraer del animal y se ha de poder obtener un cultivo puro de él.
• La enfermedad ha de poder reproducirse en un animal al que se le inocule una muestra de ese cultivo puro.
• El microorganismo se ha de poder extraer del nuevo animal infectado y se ha obtener un cultivo puro de él.

Patogenicidad microbiana

Los organismos dentro de los cuales viven ocasional o permanentemente los microorganismos se llaman hospedadores.

Las enfermedades causadas por microorganismos se llaman enfermedades infecciosas, porque la enfermedad se puede contagiar de un hospedador a otro al transmitirse el microorganismo entre ellos.

Dentro de una misma especie de microorganismo de la que se sabe que es causante de una determinada enfermedad, hay cepas (estirpes) que pueden causar tal enfermedad, las cepas virulentas, y otras que no son patogénicas: las cepas no virulentas.

Para que una determinada cepa microbiana sea patógena ha de reunir una o las dos siguientes propiedades:

• Invasibilidad: Cuando es necesaria la presencia del microorganismo para que se desarrolle la enfermedad. En este caso, los ros requisitos para que el m.o. cause la enfermedad son los siguientes:
  • El microorganismo ha de poder acceder y establecerse en alguna superficie corporal externa o interna.
  • El microorganismo ha de ser virulento y penetrar en las células del hospedador, normalmente tras interaccionar con sus receptores de superficie.
  • El microorganismo ha de poder proliferar en las células infectadas del hospedador y propagarse a otras.
  • Ha de haber un medio de transmisión eficaz entre uno y otro hospedador: pueden ser los alimentos, el agua, organismos hospedadores de otra especie (vectores) u organismos hospedadores de la misma especie.
• Toxigenicidad: En algunas especies bacterianas la patogenicidad se debe no a la presencia de un microorganismo, sino a su capacidad de producir toxinas. Estas pueden ser...
  • endotoxinas: insertas en la cara externa de la membrana externa de la pared de bacterias. En este caso para que haya patogenicidad la bacteria también ha de ser invasiva.
  • exotoxinas: son toxinas excretadas por bacterias. A ellas se deben enfermedades como el botulismo o el tétanos. En este caso puede no hacer falta que la bacteria sea invasiva para que haya patogenicidad; esta puede, por ejemplo, originarse a partir de toxinas liberadas previamente por la bacteria a los alimentos.

Se llama periodo de incubación al tiempo que va desde que se inicia una invasión microbiana hasta que se manifiesta la enfermedad.

Se llaman reservorios de la infección a las especies de seres vivos en las que reside el microorganismo patógeno largo tiempo, causando enfermedad o no. Por ejemplo, las ardillas o los perros son reservorios del virus de la rabia.

Hay microorganismos que forman parte de la flora bacteriana normal o residente del cuerpo y que por lo tanto no son patógenos en condiciones normales, ya que están adaptados a coexistir con el hospedador, estableciendo con él una relación que no le perjudica, ya sea simbiótica (+/+) o comensalista (+/0). Los microorganismos encuentran en el hospedador un ambiente protegido de la desecación, de los cambios de temperatura y con una gran riqueza de nutrientes. Por su parte, ellos pueden beneficiarnos...

• Al protegernos de la flora bacteriana ocasional o transiente, que por no estar adaptada a la "coexixtencia pacífica" con nosotros, más daño podrían causarnos;. Por ello, tras un tratamiento con antibióticos de amplio espectro, que eliminará a buena parte de nuestra microbiota residente, aumenta la probabilidad de contraer una enfermedad causada por la microbiota transiente (p.e., una infección del hongo Candida).
• Al proporcionarnos vitamina K u otros nutrientes.

Pero en el caso de que el sistema inmunitario se encuentre debilitado (por ejemplo debido al uso de determinadas medicinas o a enfermedades como el SIDA) algunos de ellos se pueden transformar en patógenos, motivo por el que se denominan microorganismos oportunistas. Es el caso de Escherichia coli.

La quimioterapia

La quimioterapia es el tratamiento de las enfermedades mediante sustancias químicas. En el caso de la quimioterapia de las enfermedades infecciosas, estas sustancias han de tener toxicidad selectiva, es decir, han de ser capaz de atacar al microorganismo, sin dañar a las células propias del paciente. Lógicamente es mucho más fácil conseguirlo contra un microorganismo procariótico que contra uno eucariótico, ya que en el primer caso se aprovechan las grandes diferencias que hay entre sus células y las nuestras, y se desarrollan fármacos que actúen específicamente contra las estructuras y moléculas exclusivas de las células procarióticas (como el peptidoglucano de su pared celular). En cambio resulta muy difícil desarrollar fármacos que actúen contra microorganismos eucarióticos (protozoos, hongos) y que no afecten también a las células humanas.

Según sus efectos hay dos tipos de agentes antimicrobianos:

• aquellos que causan la muerte de los microorganismos infectivos; según de que tipo de microorganismo se trate, se habla de agentes bactericidas, fungicidas, etc.
• aquellos que impiden la proliferación de los microorganismos infectivos sin matarlos; pueden ser agentes bacteriostáticos, fungistáticos, etc.

Algunos agentes antimicrobianos son:

• la quinina, que se usa contra el protozoo causante de la malaria;
• el AZT que se usa contra el VIH;
• los detergentes como la lejía, útiles contra casi todos los microorganismos;
• los interferones, proteínas producidas por las células animales como respuesta a una infección viral, que provocan la síntesis de proteínas antivíricas y activan al sistema inmunitario.

Pero los principales agentes antimicrobianos usados hoy en día son los antibióticos, que son sustancias antibacterianas o antifúngicas de origen natural, es decir, producidas y excretadas por otras bacterias como Streptomyces u otros hongos como Penicillium.

El primer antibiótico en llegar fue la penicilina, que es producida de forma natural por el hongo Penicillium y que ataca a las bacterias Gram+. Fue descubierta accidentalmente por Alexander Fleming en 1929, cuando encontró que un cultivo en placa de una bacteria había sido contaminado por el hongo Penicillium, con el resultado de que en torno a este no se desarrollaba colonia alguna de la bacteria: en el cesped bacteriano de la placa se observaban "calvas" allí donde habían caído esporas del hongo. El motivo era, como supuso Fleming, que el hongo producía y excretaba una sustancia con propiedades antibacterianas, a la que llamó penicilina.

A partir de entonces comenzó la búsqueda de más antibióticos y el desarrollo de técnicas para su producción masiva, las cuales pueden ser microbiológicas, semisintéticas o enteramente sintéticas.

Sin embargo a lo largo de las últimas décadas, y apoyada por el uso excesivo de antibióticos en tratamientos que no se completan, la selección natural ha ido filtrando las cepas resistentes a los antibióticos tradicionales en un número cada vez mayor. Además muchas veces la resistencia a los antibióticos está codificada en plásmidos, que son fragmentos de ADN que se transmiten fácilmente por conjugación de unas bacterias a otras, incluso de diferente especie, por lo que la resistencia a los antibióticos es un carácter fácilmente expansible entre las bacterias. De este modo están reapareciendo enfermedades que se daban casi por desaparecidas, como la tuberculosis. Y por ello las grandes empresas farmacéuticas siguen trabajando en la obtención de nuevos antibióticos.

Algunos ejemplos de antibióticos y sus mecanismos de acción son:

• Las penicilinas actúan impidiendo la síntesis del peptidoglucano de la pared celular bacteriana (motivo por el que son inocuas contra los microorganismos carentes de ella, como los micoplasmas o los virus).
• Las polimixinas degradan las membranas celulares bacterianas.
• Las rifamicinas impiden la transcripción del ADN en las bacterias.
• La eritromicina impide la traducción en las bacterias.
• El micomazol ataca a las membranas celulares de los hongos.

Algunas enfermedades causadas por microorganismos

Enfermedades causadas por virus

• El VMT, virus del mosaico del tabaco, daña las hojas de esta planta y de otras especies vegetales, causando graves pérdidas económicas.
• Gripe. El virus se transmite por vía respiratoria a través de gotitas producidas al estornudar, toser o conversar, por lo que es muy contagiosa. Afecta a personas de todas las edades y está extendida por todo el mundo. Generalmente es epidémica, es decir, afecta a un gran número de personas a la vez. El virus invade las células de los alveolos pulmonares y en 24 horas ya ha producido inflamación del tejido pulmonar. Los síntomas son fiebre, dolor de cabeza, malestar general... Normalmente no es grave y los trastornos desaparecen al cabo de unos días. Pero a veces va acompañada de infecciones bacterianas adicionales, como en el caso de la peor epidemia registrada, la que tuvo lugar tras la I Guerra Mundial (la "grupe española"), y que causó más de 20 millones de muertos en todo el mundo. No existe fármaco alguno que ataque al virus, por lo que los tratamientos van dirigidos a aliviar los síntomas. Sí hay vacuna, que se hace con virus atenuados.
• Viruela. Es una enfermedad grave cuyos síntomas son fiebre, dolor de cabeza, dolores musculares, vómitos y aparición de pústulas por todo el cuerpo. Lo importante es que gracias a las campañas de vacunación masiva a nivel mundial la enfermedad se ha erradicado y el virus de la viruela ya no existe en la Naturaleza.
• Rabia. Es una enfermedad muy grave que se manifiesta en una inflamación del cerebro. El virus puede estar presente en cualquier ave o mamífero. Al hombre se transmite a partir de la mordedura de perros, ratas, ardillas, murciélagos, etc. infectados.
• SIDA = Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida. Es una enfermedad muy grave que es causada por un retrovirus envuelto: el virus de la inmunodeficiencia humana, VIH.
• Otras: hepatitis B, hepatitis C, mononucleosis, papilomas...

Enfermedades causadas por bacterias

Clasificadas según su modo de transmisión y según el tipo de agente patogeno:

• Transmitidas por ingestión de alimentos y aguas contaminadas:
  • Cólera (agua);
  • Salmonelosis. Enfermedad debida a la ingestión de alimentos contaminados por bacterias del género Salmonella al ser manipulados sin la debida higiene, sobre todo en verano, que es cuando las bacterias proliferan con más facilidad. Se caracteriza por una fuerte diarrea.
• Transmitidas por contacto superficial entre personas portadoras:
  • Lepra.
• Transmitidas por contacto sexual entre personas portadoras:
  • Sífilis, gonorrea.
• Transmitidas a partir de gotitas producidas al estornudar, toser o conversar:
  • Tuberculosis. Caracterizada por la aparición de unas lesiones en los pulmones debidas al enquistamiento dentro de ellos del llamado "bacilo de Koch", que accede a las vías respiratorias por contagio mediante gotitas producidas al estornudar, toser o conversar.
• Transmitidas a partir de la picadura de insectos y otros artrópodos:
  • Peste bubónica. Causada por la bacteria Yersinia pestis, que se casi siempre se transmite desde la ratas a humanos a través de las pulgas que chupan la sangre de ambos. Es una enfermedad muy grave que ha diezmado a las poblaciones humanas en dos grandes pandemias en los siglos VI y XIV. Se caracteriza por fiebres muy elevadas y por la inflamación de los ganglios linfáticos, que se llaman bubones.
• Transmitidas a partir de mamíferos: se llaman zoonosis; algunas de ellas se transmiten desde el ganado y suelen ser enfermedades ocupacionales, padecidas sobre todo por personas que están en contacto con esos animales. En estos animales hospedadores el microorganismo correspondiente puede no causar enfermedad alguna:
  • Brucelosis, fiebres de Malta. Causadas por varias especies del género Brucella, que infectan a cerdos, vacas y ovejas y que se transmite al Hombre al comer carne o beber leche de un animal infectado.

Enfermedades causadas por hongos

Desde el punto de vista del interés humano tienen interés las infecciones causadas en plantas, casi todas ellas debidas a hongos, como el mildiu de la vid, el mildiu de la patata, la grafiosis del olmo, las royas de los cereales y las royas de los pinos.

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Los Microorganismos en los Ecosistemas

La mayoría de las moléculas conocidas pueden servir como fuente de energía para alguna especie procariótica y, entre todas ellas, desarrollan todos los tipos posibles de metabolismo. Por ello los procariontes son cosmopolitas: viven en toda clase de ambientes. Las bacterias y arqueas colonizan hábitats con todo tipo de condiciones ecológicas: aguas polares, géiseres, aguas hipersalinas, etc. Las hay de vida libre y las hay que viven asociadas a otros organismos; en este caso, pueden serlo bien de forma simbiótica (ambos socios se benefician), comensalista (beneficiándose el endosimbionte sin perjudicar ni beneficiar a su hospedador) o parasítica (como las bacterias que causan enfermedades).

Además, están presentes en todos los niveles tróficos de todos los ecosistemas: los hay que son productores, otros son consumidores y otros son descomponedores.

Por ello, su papel en el reciclado de la materia es decisivo. Sin los microorganismos, todos los ciclos biogeoquímicos quedarían sin cerrar, pues muchas de sus etapas solo las realizan las bacterias o las arqueas.

Los microorganismos en el ciclo del N

El nitrógeno molecular, N₂, es el gas más abundante de la atmósfera, con un 78 % de su volumen. Sin embargo en ese estado el nitrógeno es inasequible para la inmensa mayoría de los seres vivos, incluidas la totalidad de las plantas y de los animales, porque el N₂ es un gas inerte.

Solo unas pocas especies de bacterias, que poseen la enzima nitrogenasa, pueden captar el N₂ atmosférico, combinándolo con H₂ y produciendo NH₄⁺ (amonio). A este proceso se le denomina fijación biológica del N₂ y ha de suceder en un ambiente anaerobio. El destino de este NH₄⁺ es triple:

• Las bacterias fijadoras lo incorporan a sus biomoléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos...).
• Las bacterias fijadoras lo ceden a plantas con las que viven asociadas simbióticamente, y que lo incorporan a sus biomoléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos...). Es el caso de Rhizobium, que forma los nódulos en las raíces de casi todas las especies de la familia de las leguminosas (trébol, alfalfa, guisante, judía...). Las plantas aportan a las bacterias un ambiente protegido y su excedente de azúcar.
• Las bacterias fijadoras lo liberan al medio, donde es transformado en NO₃^- por las bacterias quimiosintéticas nitrificantes. La nitrificación sucede en 2 etapas:
  • Nitrosomonas: NH₄⁺ → NO₂^- (nitrito);
  • Nitrobacter: NO₂^- → NO₃^- (nitrato).
• El nitrato es la única forma de N que puede ser absorbida del medio por la mayoría de las plantas y de las algas. Tras la asimilación del nitrato, las plantas y las algas lo incorporan a sus biomoléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos...).

La descomposición de las proteínas contenidas en las deyecciones, en los cadáveres y en los restos orgánicos de todo tipo de seres vivos, por los microorganismos descomponedores del suelo y del agua, acaba produciendo NH₄⁺ (amonificación). El NH₄⁺ pasa al suelo y a las masas de agua, donde puede convertirse de nuevo en NO₃^- por nitrificación.

El fenómeno que cierra el ciclo es la desnitrificación, realizada en condiciones anaeróbicas (a las que se llega por encharcamiento o por pisoteo del suelo) por bacterias que transforman el NO₃^- en N₂, que retorna a la atmósfera. Lógicamente, la desnitrificación es un proceso perjudicial para la agricultura.

Los microorganismos en el ciclo del C

• Los microorganismos autótrofos (= productores) incorporan el C del biotopo a las biocenosis, en forma de CO₂, mediante los procesos de fotosíntesis oxigénica (cianobacterias), fotosíntesis anoxigénica (bacterias púrpuras y verdes) y de quimiosíntesis (arqueas y bacterias).
• Los microorganismos heterótrofos (bacterias y arqueas descomponedoras) devuelven al medio el C de las biomoléculas orgánicas de los seres vivos en forma de CO₂, mediante la respiración celular. Y cuando la descomposición se realiza en anaerobiosis, el C orgánico es devuelto al medio en forma de combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas natural).

Los microorganismos asociados a los animales

En los rumiantes son las bacterias que habitan su panza las que digieren la celulosa de las paredes celulares de las plantas que el rumiante ingiere. Los rumiantes, como todos los animales, carecen de celulasas, y por lo tanto no pueden aprovechar la celulosa por sí mismos; pero las bacterias sí, y la transforman en glucosa, que luego es aprovechada por los rumiantes como fuente de energía. Y las propias bacterias son más tarde digeridas por el rumiante y utilizadas como fuente de nitrógeno y de vitaminas (ésto no es ético, pero qué sabe la vaca...)

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Biotecnología Microbiana

La biotecnología comprende todos aquellos procesos tecnológicos que utilizan organismos vivos, sus capacidades metabólicas o sus derivados para generar productos de interés para los humanos o para solucionar problemas sanitarios o medioambientales.

Esto incluye a la ingeniería genética, la mayor parte de cuyos procedimientos se sirven de microorganismos:

• Cuando se corta ADN (para extraer un gen, por ejemplo) se hace con endonucleasas de restricción bacterianas.
• Cuando se lleva un gen de un organismo a otro para conseguir organismos transgénicos, se hace dentro de un vector que lo meta en la célula receptora. Este vector es un virus atenuado o un plásmido bacteriano.
• Cuando se trata de conseguir un organismo transgénico con el fin de que fabrique y excrete grandes cantidades de un producto de interés, siempre se utilizan bacterias.

Biotecnología microbiana industrial

• Fabricación del vino. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermentan hasta etanol la glucosa y la fructosa del mosto de la uva.
• Fabricación de cerveza. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermenta hasta etanol la maltosa contenida en semillas de cebada germinadas.
• Fabricación del pan. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermenta hasta etanol el almidón de la harina. El etanol se evapora al ser horneado el pan y el CO₂ producido hace que el pan sea esponjoso.
• Fabricación de productos lácteos. Es una fermentación láctica llevada a cabo por bacterias como Lactobacillus bulgaricus. Se transforma la lactosa de la leche en el ácido láctico del yogur, cuajada, kéfir o queso.
• Fabricación del vinagre. Es una respiración aeróbica llevada a cabo por bacterias. Se oxida el etanol del vino a ácido acético.
• Obtención de antibióticos naturales o semisintéticos (derivados artificiales de los naturales) a partir de hongos y bacterias cultivados en grandes reactores:
  • Penicilinas semisintéticas por modificación de las producidas naturalmente por el hongo Penicillium.
• Obtención de enzimas
  • Proteasas, amilasas y lipasas, empleadas en la fabricación de detergentes.
  • Enzimas de arqueas termófilas e hipertermófilas, que presentan su máxima actividad a elevadas temperaturas, útiles en algunos procesos de las industrias alimentarias o en detergentes.
  • Renina, empleada para la cuajar la leche en la elaboración del queso, en sustitución del cuajo natural.
• Producción de sustancias de interés sanitario por manipulación genética. Se utilizan bacterias modificadas genéticamente a las que se les ha clonado un gen humano de interés. Las bacterias transgénicas pueden producir:
  • Insulina (para tratar la diabetes);
  • Hormona del crecimiento (para tratar el enanismo);
  • Interferones (para tratar enfermedades víricas);
  • Anticuerpos (que se llaman monoclonales por ser producidos por un único clon de bacterias transgénicas);
  • Antígenos y toxoides (análogos no dañinos de de toxinas microbianas) para vacunas; etc.

Biotecnología microbiana agrícola

• Plantas modificadas genéticamente. Se utiliza un plásmido bacteriano recombinante, clonado con genes de interés procedentes de otras especies vegetales. Las plantas transgénicas pueden ser:
  • Resistentes a heladas;
  • Con frutos de maduración lenta;
  • Productoras de vitaminas; etc.
• Obtención de biofertilizantes
  • Cianobacterias fijadoras de nitrógeno se utilizan como biofertilizantes en arrozales.
• Obtención de insecticidas biológicos
  • La bacteria Bacillus thuringiensis produce una proteína no tóxica para los vertebrados, que actúa como un insecticida natural.

Biotecnología microbiana aplicada a la obtención de materias primas

• Obtención de plásticos biodegradables
• Biolixiviación. Se utilizan microorganismos para la extracción de metales de menas pobres:
  • Obtención de cobre.
• Obtención de recursos energéticos
  • Producción de biodiésel, etanol y gas metano a partir de microalgas (p.e. diatomeas) cultivadas en grandes reactores.

Biotecnología microbiana medioambiental

• Biorremediación. Se aprovecha la gran diversidad metabólica de los microorganismos para la eliminación de contaminantes, principalmente por biodegradación (la bacteria lo consume para obtener de él energía, carbono...):
  • Utilización de bacterias quimioheterótrofas para eliminar vertidos de petróleo en el mar.
• Eliminación de residuos:
  • Tratamiento microbiano de las basuras orgánicas, que son transformadas en compost (abono compuesto similar al humus que se produce en el suelo de forma natural).
  • Depuración de aguas residuales por arqueas metanógenas.

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El Estudio y la Manipulación del ADN

Técnicas de estudio del ADN

Hibridación de ácidos nucleicos

Si queremos comprarar el grado de similitud entre 2 moléculas de ADN, se hace como sigue: se desnaturalizan por calor, se fragmentan, se mezclan y se enfría la mezcla. Cuanto más parecidas sean (a mayor grado de homología) más cantidad de fragmentos de ADN bicatenario de origen diferente se formarán durante la renaturalización (mayor porcentaje de hibridación). Las cadenas híbridas se detectan porque una de las dos moléculas originales se había marcado con isótopos radiactivos.

Esta técnica se puede utilizar para comparar el ADN de dos posibles familiares (p.e. en pruebas de paternidad o de hermanos separados de niños). O para comparar el ADN de un sospechoso con el encontrado en el lugar de un crimen (medicina forense). O para comparar el ADN de especies vivas o fósiles y poder así establecer su grado de parentesco (p.e. neandertales con denisovanos y con humanos modernos). O, si se conoce la secuencia del gen causante de una enfermedad hereditaria, para identificarlo en el genotipo de una persona, y poder así predecir el posible desarrollo futuro de tal enfermedad, o conocer el grado de predisposición a padecerla: esta técnica se denomina examen genético y forma parte de la medicina preventiva.

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

Para obtener numerosas copias de un fragmento de ADN de forma fácil, rápida y económica, se procede como sigue: se desnaturaliza por calor la molécula de ADN; se añade una molécula muy corta de ADN (el cebador) complementaria de la región del extremo 5' de cada una de las 2 hebras separadas; se añade ADN-polimerasa, ATP y desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP).

Si el proceso se repite "n" veces, obtendremos 2n copias de la molécula original.

Esta técnica se puede utilizar para amplificar el número de copias de un ADN valioso y escaso (p.e. ADN de fósiles de neandertales o del lugar de un crimen).

Secuenciación de ácidos nucleicos

Para conocer la secuencia exacta de nucleótidos del ADN de un ser vivo. El Proyecto Genoma Humano consiguió secuenciar el genoma de nuestra especie en el año 2000.

Esta técnica se puede utilizar para comparar el ADN de especies de seres vivos con mucho mayor grado de exactitud que por hibridación y así poder dilucidar bien sus relaciones filogenéticas (como cuando se descubrió que la vida estaba organizada en 3 dominios: arqueas, bacterias y eucariontes). O para identificar a los genes causantes de enfermedades hereditarias (diabetes tipo I, propensión al cácer, al infarto...). O en estudios históricos para poder identificar al microorganismo causante de una gran mortandad del pasado.

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Técnicas de Manipulación del ADN

Consiste en la manipulación deliberada del genoma de un ser vivo para modificar su ADN y conferirle características fenotípicas nuevas.

Mutagénesis dirigida

Para provocar cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen.

Esta técnica permite obtener proteínas modificadas en algún aminoácido concreto de su secuencia. También permite anular genes que no queremos que se expresen.

Tecnología del ADN recombinante

Se denomina también "Ingeniería Genética".

Permite crear nuevas moléculas de ADN a partir de fragmentos de ADN de orígenes diferentes (incluso de seres vivos de especies diferentes). Cuando estas moléculas de ADN recombinante se introducen en un ser vivo, este pasa a ser un organismo transgénico, y tendrá una característica fenotípica nueva, que de modo natural jamás habría obtenido.

a) Herramientas básicas

• Las endonucleasas de restricción o enzimas de restricción. Son enzimas que cortan ADN. Cada enzima reconoce una secuencia blanco (p.e. de 6 pares de nucleótidos) y corta el ADN en o cerca de esas secuencias. Muchas hacen cortes escalonados que producen extremos sobresalientes de ADN de cadena sencilla que luego se vuelven a unir espontáneamente (se llaman extremos cohesivos).
• Las ligasas. Son enzimas que unen ADN. Si las 2 moléculas de ADN que queremos combinar las cortamos con la misma enzima de restricción, van a tener extremos cohesivos complementarios, y se van a unir espontáneamente. Pero aún va a quedar un hueco entre nucleótidos adyacentes en cada una de las 2 hebras. Estos huecos los sellan las ligasas.
• Los vectores de clonación. Para llevar un gen de una célula a otra, primero hay que extraerlo de su ADN con una enzima de restricción, y luego hay que combinarlo con otra molécula de ADN que haga de vehículo que lo lleve hasta la célula receptora y consiga que se exprese. Estos vehiculos son los vectores de clonación. Si la célula receptora es eucariótica, el vector ha de poder integrarse en un cromosoma, o de otro modo sus genes, incluido el gen pasajero, no se van a expresar. Esto conlleva el riesgo de que al hacerlo "rompa" un gen necesario para el funcionamiento normal de la célula, transformándola, por ejemplo, en tumoral. Las 2 clases de vectores más típicas son:
  • Los plásmidos. Cuando la célula receptora es una bacteria o una arquea, el vector ideal es un plásmido, porque siempre va a expresar los genes que lleve, sin que haga falta que se integre en el cromosoma bacteriano. Cuando la célula receptora es de una planta, el vector ideal es el plásmido Ti de la bacteria Agrobacterium tumefaciens, porque tiene la tendencia natural a integrarse en los cromosomas de las células de las plantas; se utiliza una versión atenuada de Ti, a la que se le han anulado los genes de la virulencia, ya que de otro modo provocaría tumores en la planta receptora.
  • Los virus atenuados. Cuando la célula receptora es de un animal, el vector ideal es un virus, porque tienen la tendencia natural a integrarse en los cromosomas de las células; se utiliza una versión atenuada del virus, a la que se le han anulado los genes de la virulencia, ya que de otro modo desarrollaría un ciclo lítico y mataría a las células receptoras.
• [Hay algunas alternativas al uso de vectores; como la microinyección del gen de interés en la célula receptora, las pistolas de genes (genes adsorbidos a microesférulas de oro) o los liposomas (micelas que envuelven al gen de interés).]

b) Procedimiento básico: clonación de un gen de una bacteria en otra

• Se extrae el gen de interés con una enzima de restricción; de ser posible, una que deje extremos escalonados.
• Se escoge un plásmido y se corta con la misma enzima de restricción que el fragmento de ADN que lleva el gen de interés, de modo que sus extremos sean cohesivos y se nos forme el ADN recombinante (vector + gen pasajero) de forma espontánea cuando los juntemos en la misma disolución.
• Se sellan los huecos con ayuda de una ligasa.
• El vector de clonación ha sido previamente modificado de 2 formas:
  • de tenerlos, se le han anulado los genes de la virulencia por mutación dirigida;
  • de no tenerlo, se le ha introducido un gen marcador, para poder saber al final del proceso qué bacterias han recibido el ADN recombinante; habitualmente se utiliza el gen que codifica para la resistencia al antibiótico ampicilina.
• Se introduce el ADN recombinante en las bacterias receptoras por transformación bacteriana, lo que se facilita permeabilizando las envolturas de la misma con un calentamiento brusco y breve.
• Se cultivan las bacterias en ampicilina: las no transformadas van a morir, las transgénicas se van a multiplicar.

c) Variaciones

Cuando se clonan genes eucarióticos en bacterias, a los genes hay que eliminarles los intrones, ya que las bacterias no los reconocen y llegan intactos a los ribosomas, donde van a ser traducidos junto con los exones. Esto se consigue no utilizando directamente el gen eucariótico de interés, sino el ARNm madurado que corresponde a ese gen, el cual ya no contiene intrones. Luego, ese ARNm se copia a ADN bicatenario con ayuda de la transcriptasa inversa de los retrovirus.

d) Aplicaciones

• Producción en bacterias de sustancias de interés sanitario. Las bacterias transgénicas pueden producir:
  • Insulina (para tratar la diabetes);
  • Hormona del crecimiento (para tratar el enanismo);
  • Interferones (para tratar enfermedades víricas);
  • Anticuerpos (que se llaman monoclonales por ser producidos por un único clon de bacterias transgénicas); estos anticuerpos pueden reconocer específicamente, por ejemplo, a células tumorales, y utilizarse así para marcarlas y facilitar la eliminación del tumor por los leucocitos;
  • Antígenos y toxoides (análogos no dañinos de de toxinas microbianas) para vacunas;
  • Proteínas que diluyen las mucosidades en los enfermos de fibrosis quística; etc.
• Plantas modificadas genéticamente. Las plantas transgénicas pueden ser:
  • Resistentes a heladas;
  • Resistentes a sequías;
  • Resistentes a plagas;
  • Crecer más rápido;
  • Producir frutos más grandes;
  • Producir frutos de maduración más lenta;
  • Producir vitaminas o aminoácidos; etc.
• Animales modificados genéticamente. Los animales transgénicos pueden ser:
  • Más grandes;
  • Crecer más rápido; etc.
• Terapia génica. Se introduce en un enfermo el gen cuya ausencia es causa de una enfermedad, tal como la distrofia muscular o la deficiencia ADA (leucocitos no funcionales: niños-burbuja). Se pueden inyectar en el paciente células ya transformadas por el vector fuera de su cuerpo, o bien se puede inyectar el vector recombinante directamente en el cuerpo del paciente. Se enfrenta a los siguientes problemas:
  • Se hace necesario modificar muchas células del paciente, para que se produzca la proteína que falta en cantidad suficiente;
  • Se ha de utilizar un vector seguro, no virulento, que al integrarse en un cromosoma celular no active un protooncogen y sea causa de un cáncer (que fue lo que sucedió la única vez que se ha intentado esta terapia, en niños con deficiencia ADA).