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TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA MICROBIOLOGÍA 1.1 Definición de la Microbiología 1 1.2 Estructura fundamental de los microorganismos 1 1.3 Historia de la microbiología 4 Origen de los seres vivos: dos corri...

TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA MICROBIOLOGÍA 1.1 Definición de la Microbiología 1 1.2 Estructura fundamental de los microorganismos 1 1.3 Historia de la microbiología 4 Origen de los seres vivos: dos corrientes 4 1.4 Importancia de los microorganismos 8 1.3.1 Importancia de los microorganismos en los ecosistemas 9 1.3.2 Importancia de los microorganismos en la actividad humana 9 1.3.3 Importancia de los microorganismos en la especie humana 11 1.1 Definición de la Microbiología Microbiología: Ciencia que estudia los microorganismos, bacterias, hongos, protistas y parásitos, así como otros agentes como virus, viroides y priones. Microorganismo: Organismo vivo unicelular, animal o vegetal, que no se puede ver sin la ayuda de un microscopio. 1.2 Estructura fundamental de los microorganismos La célula, estructura y propiedades fundamentales La teoría celular (Matthias Schleiden, botánico, y Theodor Schwann, zoólogo) se basa en 4 postulados: 1. La célula constituye la unidad estructural más simple de los seres vivos. Todos los organismos vivos están formados por células. 2. La célula constituye la unidad funcional más simple de los seres vivos. Todas las reacciones bioquímicas tienen lugar dentro de la célula. 3. La célula constituye la unidad básica de reproducción: toda célula proviene de otra célula (Rudolf Virchow). 4. La célula contiene toda la información genética necesaria para funcionar, la cual será transmitida a las células hijas (Walter Sutton y Thomas Boveri). Existen dos tipos fundamentales de células: procariotas y eucariotas. Tipos de microorganismos  EUCARIOTAS protozous Unicelulares, móviles y heterótrofos. Colonias, con diferenciación fisiológica pero sin diferenciación celular. 50,000 especies, muy abundantes en ambientes variados. algas unicelulares Unicelulares, autótrofas, acuáticas o en medios muy húmedos. Colonias, con diferenciación fisiológica y alguna diferenciación celular. Importancia como productores primarios en mares y aguas dulces hongos microscópicos Levaduras, heterótrofos, ambientales o patógenos. PROCARIOTAS bacteria Unicelulares, Pared con peptidoglicano, en la mayoría de ellas. Enlaces de carbono en los lípidos: tipo éster. Fosfolípidos con glicerol-3-fosfato. ADN no asociado a proteínas similares a histonas. archaea Unicelulares. Pared celular sin peptidoglicano. Enlaces de carbono en los lípidos: tipo éter. Fosfolípidos con glicerol-1-fosfato. ADN asociado a proteínas similares a histonas. Habitan en ambientes muy variados, muchas de ellas en condiciones extremas (metanogénicas, halófitas).  ACELULARES virus Organismos formados por ADN o ARN, rodeados por proteínas y, en ocasiones, por una envoltura lipídica. No tienen capacidad metabólica, son parásitos obligados. viroides Formados por una cadena simple de ARN. No están asociados a proteínas ni lípidos. Infectan plantas sin necesidad de otros virus. virusoides Formados por ARN de cadena simple. A veces presentan cápsida (como en el VHD). Necesitan asociarse a otros virus para poder infectar (ARN satélite). Infectan plantas y animales (como el virusoide de la Hepatitis D). Son considerados parásitos de virus. priones Formados por proteínas que han sufrido una mutación o transformación en su estructura. Pueden inducir cambios en otras proteínas cercanas (efecto dominó). Son transmisibles. 1.3 Historia de la microbiología ERA PRECIENTÍFICA (5.000 A.C. - 1675) - Neolítico: conservaciones de alimentos - Antiguo Egipto: vino, pan, cerveza (transferencia de fermentos). - Imperio Romano (Marco Terencio Varrón, 116-27 a.C.): menciona “organismos diminutos” como causantes de enfermedades. ERA DE LA OBSERVACIÓN (1.675 - ½ s.XIX) Robert Hooke (1664): microscopios compuestos, observación celular, cuerpos fructíferos de hongos. Antonie van Leeuwenhoek (1676): descubrimiento de los microorganismos mediante el microscopio por primera vez. Observó espermatozoides, eritrocitos, protozoos, larvas de insectos, microorganismos en vinagre y en la boca, refutando la teoría de la generación espontánea (Jan Baptiste van Helmont, 1577-1644). Origen de los seres vivos: dos corrientes Abiogénesis: Teoría de la generación espontánea, explicación del origen de los seres vivos simples. Defensores: pensadores de los siglos XVI-XVIII como René Descartes, Francis Bacon, Isaac Newton, y Jan Baptiste van Helmont. Propuesta: materia orgánica + materia inorgánica = seres vivos. Biogénesis: Refutación de la teoría de la generación espontánea. - 1668, Francesco Redi: experimento para refutar la generación espontánea. - 1750, Lazzaro Spallanzani: demostró la esterilidad de una infusión después de calentarla si se mantenía cerrada. - 1860, Louis Pasteur: refutación total de la generación espontánea. Formuló el principio: omne vivum ex vivo (“todo ser vivo proviene de otro ser vivo”). - 1790, El médico inglés Edward Jenner descubrió la vacuna contra la viruela. - 1846, Ignaz Semmelweis (Hungría): aplicó el primer método de antisepsia puerperal, reduciendo drásticamente la mortalidad por fiebres puerperales. Trótula de Salerno (1110-1160): médica especializada en ginecología. Escribió el libro Ornatu Mulierum, en el que defendía la higiene como necesaria para la prevención de infecciones y enfermedades en las mujeres, algo totalmente innovador en la Edad Media. Su autoría fue silenciada en este y otros libros que sirvieron como referencia en ginecología, como el tratado titulado Passionibus Mulierum Curandorum ("Las Enfermedades de las Mujeres"). ERA DEL CULTIVO Y ESTUDIO FISIOLÓGICO (½ s.XIX - 1er s. XIX) 1837, Schwann y Kützing: fermentación alcohólica, atribuida a "plantas microscópicas". 1860, Louis Pasteur: considerado el padre de la microbiología moderna. Descubrió que los microorganismos del vino y la cerveza son responsables de la fermentación. Aplicación a los microorganismos infecciosos humanos: Teoría germinal de las enfermedades infecciosas: toda enfermedad infecciosa tiene su causa en un germen capaz de propagarse entre las personas. Inicio de la medicina científica: La enfermedad es el efecto visible de una causa que puede ser identificada y eliminada con un tratamiento específico. 1860, Joseph Lister: descubre la aplicación de los antisépticos en prácticas quirúrgicas. Aplicó los descubrimientos de Pasteur para reducir la incidencia de infecciones quirúrgicas mediante la asepsia y la antisepsia. Asepsia: condición libre de microorganismos que puedan causar enfermedades (quirófano, sala de cuidados intensivos, etc.). Antisepsia: conjunto de procedimientos físicos, mecánicos y/o químicos para lograr la asepsia. Es el proceso de desinfección que permite realizar cualquier cuidado o intervención quirúrgica sin riesgo de infección o contaminación. 1880, Robert Koch (médico alemán): Premio Nobel de Medicina en 1905. POSTULADOS DE KOCH: 1. El microorganismo tiene que estar presente en todos los individuos con la misma enfermedad y ausente en los individuos sanos 2. el microorganismo tiene que ser recuperado del individuo enfermo y poder ser aislado en un medio de cultivo 3. el microorganismo proveniente de este cultivo tiene que causar la misma enfermedad cuando se inocula en un huésped sano 4. el individuo experimentalmente infectado tiene que contener el microorganismo, se tiene que poder volver a aislar en el mismo medio de cultivo 1877, Julius Petri: inventor de las placas de Petri. 1881, Walther Hesse: médico y colaborador de R. Koch. Estudió los microorganismos presentes en el aire y el agua, destacando la importancia de las condiciones higiénicas. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL. 1881, Fanny Angelina Hesse: esposa de W. Hesse. Realizó dibujos de colonias bacterianas y propuso el uso de agar-agar en medios de cultivo. 1880, Hans Christian Gram: médico danés. Desarrolló la tinción de Gram, fundamental para la clasificación bacteriana. 1887, David Bruce: médico patólogo y microbiólogo. Descubrió las causas y vías de transmisión de diversas enfermedades tropicales: - Brucella: causante de la fiebre de Malta. - Trypanosoma brucei: causante de la enfermedad del sueño, transmitida por la mosca tse-tse. 1887, Mary Elizabeth Bruce: esposa de David Bruce. Aprendió técnicas microbiológicas en el laboratorio de R. Koch. Trabajó junto a su esposo en el descubrimiento de microorganismos causantes de enfermedades tropicales, aunque su trabajo no fue reconocido oficialmente, salvo por su apodo de "la Cazamicrobios". 1909, Paul Ehrlich (médico polaco): Premio Nobel de Medicina en 1908. - Desarrolló técnicas de tinción celular (como el azul de metileno). - Introdujo la primera quimioterapia para infecciones: el salvarsán o "bala mágica" (arsfenamina con arsénico) contra el Treponema pallidum (sífilis). - Desarrolló el suero inmunológico contra la difteria (Corynebacterium diphtheriae). 1929, Alexander Fleming (médico inglés): Premio Nobel de Medicina en 1945. - Descubrimiento de la lisozima. - Descubrimiento de la penicilina. Disminución progresiva de la mortalidad por enfermedades infecciosas. - Control de la transmisión. - Medidas para lograr la asepsia. - Control de las enfermedades (quimioterapia). - Medidas preventivas: - Vacunaciones masivas. Desde 1980, mayor incidencia: ¿Motivos? La relación entre el aumento de la mortalidad debido a las enfermedades infecciosas y la sobreprescripción de antibióticos puede deberse a la resistencia a los antibióticos. Cuando se prescriben antibióticos de manera excesiva o inapropiada, las bacterias pueden desarrollar resistencia a estos. Esto significa que las infecciones causadas por estas bacterias resistentes serán más difíciles de tratar. Si las opciones de tratamiento efectivo se reducen debido a la resistencia a los antibióticos, las enfermedades infecciosas pueden ser más letales. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL 1881, Walther Hesse: médico y colaborador de R. Koch. Estudio de los microorganismos del aire y el agua: importancia de las condiciones higiénicas. (MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL). Principios de 1900, Serguei Winogradsky: botánico y microbiólogo. - Descubridor de la quimioautotrofía. - Bacterias del suelo: bacterias del azufre, bacterias de la ruta del nitrógeno (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter), fijadoras de nitrógeno atmosférico. - Inventor de la columna de Winogradsky. ERA MOLECULAR (1.975 - actualidad) 1950, Esther Lederberg: Descubrimiento del fag lambda (fago λ), el ciclo lisogénico y el ciclo lítico de los fagos. Transferencia horizontal de genes. Técnica de replicación de placas bacterianas. - Fue infravalorada en favor de su esposo, Joshua Lederberg, a quien se le concedió el Premio Nobel en 1958 por los descubrimientos de Esther Lederberg. Nunca recibió un reconocimiento propio. Francis Mojica, microbiólogo (Francisco Juan Martínez Mojica, Elche): Descubrimiento de las secuencias cortas palindrómicas separadas regularmente por espacios cortos de "ADN espaciador" en el genoma (CRISPRs) y su papel en la inducción de defensas frente a bacteriófagos. Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna: Premios Nobel 2020 por el desarrollo de la técnica CRISPR/Cas9: edición de genes, cambio, reparación y regulación de la expresión génica controlada. Actualidad: Katalin Karikó: Bioquímica húngara (2005), que comprendió cómo utilizar el ARN mensajero de los virus para poder inmunizarnos. Base de la mayoría de las vacunas actuales contra el SARS-CoV-2. Aplicación de la ingeniería genética y la biología molecular en: Microbiología clínica: vacunas, sueros, interferón, antibióticos, hormonas de crecimiento, etc. Microbiología de alimentos/agricultura: mejora en la producción, organismos genéticamente modificados (transgénicos), etc. Microbiología ambiental: ecología microbiana molecular, biodegradación, bioremediación, potabilización, nuevos genes resistentes a condiciones adversas, etc. Microbiología industrial: nuevos cepas mejoradas para la fermentación de productos como yogur, vino, cerveza, etc. 1.4 Importancia de los microorganismos Importancia de los microorganismos en los ecosistemas y las actividades humanas ¿Son todos los microorganismos perjudiciales? ¿Qué efectos positivos pueden tener los microorganismos? No, no todos los microorganismos son perjudiciales. De hecho, la mayoría son inofensivos o incluso beneficiosos para los seres humanos y el ecosistema. Los microorganismos se clasifican en diferentes categorías según sus efectos sobre los seres vivos: - Beneficiosos: Muchos microorganismos son esenciales para la vida y tienen efectos beneficiosos para los seres humanos y el ecosistema. Por ejemplo, las bacterias intestinales ayudan en la digestión y la síntesis de vitaminas, y las micorrizas son simbiontes que facilitan la absorción de nutrientes por parte de las plantas. - Inofensivos: Existen muchos microorganismos que no causan enfermedades ni tienen efectos perjudiciales para los seres humanos. Estos microorganismos pueden estar presentes en el ambiente o en el cuerpo sin causar ningún problema. - Patógenos o perjudiciales: Algunos microorganismos pueden causar enfermedades infecciosas o tener efectos perjudiciales sobre los seres humanos. Estos son los microorganismos que a menudo se intentan prevenir o tratar mediante el uso de antibióticos u otras estrategias médicas. - Decompositores: Muchos microorganismos tienen un papel crítico en la descomposición de materia orgánica y en el reciclaje de nutrientes en el ecosistema. Sin ellos, la acumulación de residuos orgánicos podría ser un problema serio. - Fijadores de nitrógeno: Algunos microorganismos, como las bacterias fijadoras de nitrógeno, convierten el nitrógeno del aire en formas utilizables para las plantas. Esta simbiosis es fundamental para el ciclo del nitrógeno y la fertilización del suelo. Ecosistemas, ecología microbiana: Población, Comunidad - Los microorganismos forman comunidades microbianas. Son ubicuos. - La actividad microbiana está determinada por la tasa de actividad de la población microbiana. - La actividad colectiva de los microorganismos en un ecosistema es imprescindible para su correcto funcionamiento. La microbiota es la colección de microorganismos que habitan en un ecosistema específico, como el cuerpo humano o un ecosistema ambiental, como el suelo o el agua. Esta comunidad de microorganismos está formada por bacterias, arqueas, hongos, virus y otros microorganismos, y tiene una relación simbiótica o mutualista con el entorno en el que residen. En cambio, el microbioma es el resultado del estudio de los ácidos nucleicos (ADN microbiano) que se encuentran en un determinado lugar. Se estudia gracias a la fracción ribosomal de 16S (sedimentos). Para estudiar microbiotas se utiliza el microbioma. Los tipos de actividad microbiana dependen de: La composición de las especies en el hábitat: interacción en la biocenosis. Microflora o microbiota. Estado fisiológico de los microorganismos en cada hábitat: interacción en el medio (biotopo, factores abióticos: climáticos (temperatura, humedad), suelo, pH). El tamaño de las poblaciones dentro de cada especie: Quorum sensing. El quorum sensing es un sistema de comunicación biológica que utilizan muchos microorganismos, especialmente bacterias, para coordinar su comportamiento en función de la densidad de la población. Este mecanismo permite a los microorganismos detectar y responder a cambios en el número de miembros de una misma especie en un determinado entorno. 1.3.1 Importancia de los microorganismos en los ecosistemas ➔ Productores (fotosíntesis) ➔ Descomponedores: Materia orgánica o materia inorgánica ➔ Simbiosis, mutualismo - Bacterias fijadoras de nitrógeno Rhizobium leguminosarum - Bacterias solubilizadoras de fósforo - Líquenes: liberadores de minerales atrapados en las rocas - Bacterias del ganado rumiante (rumiantes) descomponedoras de la lignina y celulosa - Bacterias del intestino de los animales superiores: síntesis de vitaminas, digestión de azúcares... 1.3.2 Importancia de los microorganismos en la actividad humana MICROORGANISMOS EN LA AGRICULTURA Y GANADERÍA Existen procesos importantes en la agricultura y ganadería que dependen de los microorganismos: → Impactos Positivos: - Bacterias fijadoras de Nitrógeno - Bacterias solubilizadoras de fósforo - Bacterias promotoras del crecimiento de plantas - Microorganismos que degradan la celulosa - Regeneración de nutrientes en el suelo y agua  → Impactos negativos: - Enfermedades en plantas - Enfermedades en animales MICROORGANISMOS Y ALIMENTOS → Impactos Negativos: - El deterioro de los alimentos por microorganismos requiere mantenimiento especializado de muchos alimentos. - La producción de toxinas en los alimentos puede generar enfermedades graves. → Impactos Positivos en la industria agroalimentaria: - Transformaciones microbianas (fermentaciones, generalmente). - Derivados lácteos, pan, vino, cerveza. RELACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS CON LA ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE → Papel de los microorganismos en la producción de biocombustibles: Por ejemplo: metano, etanol, hidrógeno. → Bioremediación: Papel de los microbios en la limpieza de contaminantes. → Tratamientos de aguas residuales. LOS MICROORGANISMOS Y SUS RECURSOS GENÉTICOS: BIOTECNOLOGÍA → Industria farmacéutica: - La explotación de los microbios para la producción de antibióticos, enzimas y productos químicos diversos (de forma natural). - La ingeniería genética de microbios para generar productos de valor para los seres humanos, como la insulina. → Biotecnología agropecuaria: - Genes de tolerancia a condiciones adversas (sequía, salinidad, altas temperaturas, inundaciones…). 1.3.3 Importancia de los microorganismos en la especie humana ¡El 90% de las células de nuestro cuerpo son microorganismos! Tipos de relaciones: SIMBIOSIS: relación entre individuos de la misma especie. Comensalismo: Un individuo se beneficia y al otro no le supone nada. Microbiota de la piel, algunos bacterias del intestino. Mutualismo: Ambos se benefician, microbiota intestinal, microbiota de la piel. Parasitismo: El hospedador sufre, el parásito se beneficia. La mayoría de las relaciones son de tipo comensal o mutualismo, solo un pequeño número son parásitos, y rara vez causan la muerte al huésped en la actualidad. Colonización: Proceso en el que los microorganismos se establecen en una parte del huésped SIN ALTERAR EL FUNCIONAMIENTO NORMAL. Infección: Situación en la que un microorganismo se establece en un huésped y crece en él, PROVOCÁNDOLE ENFERMEDAD. Enfermedad: Daño o lesión que produce una disfunción en el huésped: por la acción del microorganismo (crecimiento o toxinas) o por la respuesta del sistema inmunológico frente al microorganismo. ORIGEN DE LA MICROBIOTA NORMAL Colonización: - Piel: Al momento de nacer, al canal de parto, por contacto con el medio y las personas cercanas. - Mucosas: De fuera a dentro por orificios: nariz, boca, ano, uretra, vagina. - Tracto gastrointestinal: Desde la primera toma de leche. A los 10 días ya tiene microbiota heterogénea. Tracto intestinal de adulto: 10^11 bacterias/g. - Importancia de la lactancia materna: Ruta enteromamaria. Efectos de la microbiota normal: Efectos beneficiosos: ○ Impedir la colonización por otros microorganismos: Antagonismo microbiano (competencia por los nutrientes, por el nicho ecológico). ○ Producción de bacteriocinas. ○ Activación del sistema inmunitario (interferones).  ○ Producción de nutrientes esenciales y ayuda a la digestión (vitaminas, ácidos grasos de cadena corta, glúcidos). Posibles efectos negativos de la microbiota normal: ○ Uso y destrucción de vitamina C. ○ Síntesis de compuestos carcinogénicos (transformación del colesterol). ○ conversión en patógenos oportunistas