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MÓDULO 2 Módulo 2 Microorganismos 1 2 Competencias del módulo  Ampliar la capacidad investigativa  Responsabilidad social y compromiso ciudadano  Conocimientos sobre el área de estudio y la profesión Objetivo Entender los efectos de los microorganismos en la salud de los seres humanos...

MÓDULO 2 Módulo 2 Microorganismos 1 2 Competencias del módulo  Ampliar la capacidad investigativa  Responsabilidad social y compromiso ciudadano  Conocimientos sobre el área de estudio y la profesión Objetivo Entender los efectos de los microorganismos en la salud de los seres humanos, industria y ambiente. 3 Contexto Los microorganismos o microbios son seres biológicos tan diminutos que tan sólo pueden visualizarse por medio de un microscopio. La vida microscópica puede ser tan variada en sus propiedades y características. De acuerdo a su hábitat, algunos microorganismos se consideran de vida libre, pues forman parte importante de los ciclos de la naturaleza, hospedándose en aguas residuales, superficies, en la tierra etc. Sin embargo, otros necesitan un hábitat específico, como por ejemplo, bacterias las cuales viven en los intestinos del cuerpo humano y ayudan en la digestión. El minucioso estudio de estos seres vivientes pueden llevarse a cabo a través de los diversos medios de cultivo. Por medio de esta unidad, habremos de aprender sobre el sistema de clasificación de los organismos, sobre las características entre células procariotas y eucariotas, además de la importancia de los medios de cultivos en el campo microbiológico. 4 Propósitos - Conocer el sistema de clasificación de los organismos de Carl Woose. - Aplicar las reglas básicas de la nomenclatura binomial de los organismos. - Conocer las características más distintivas de las células procariotas y eucariotas. -Analizar la importancia que tienen los medios de cultivos en el campo microbiológico. 2 Módulo 2 Microorganismos - Aprender sobre los criterios a utilizar para la identificación de los medios de cultivos. 5 Expectativa ¿Qué vamos hacer? Leer y estudiar los recursos que aparecen en la unidad. De tener alguna duda, por favor exponerla en el foro correspondiente. ¿Cómo lo vamos hacer? Luego de leer el material usted deberá completar las actividades de aplicación correspondientes con esta unidad. A las instrucciones detalladas, las encontrarán en la sección correspondiente. 6 Desarrollo de contenidos del módulo Microorganismos Figura 1. Microorganismos. Recuperada de: https://www.caracteristicas.co/microorganismos/ 6.1 Denominación y clasificación de los microorganismos La taxonomía es la ciencia cuyo propósito es clasificar los organismos y colocarlos en categorías jerárquicas que reflejen sus relaciones evolutivas. Debido a la cantidad ilimitada de seres vivos que habitan en el planeta, el taxónomo molecular, Carl Woose, estableció un sistema de clasificación de los seres vivos, tomando en cuenta la evolución de los seres vivos y su relación filogenética. 3 Módulo 2 Microorganismos El sistema de clasificación de Carl Woose (figura 2), tiene como base las comparaciones entre el “ARN” ribosómico; esta diversidad genética manifiesta no tan sólo las características genéticas de los seres vivos sino también su ecología y bioquímica, siendo ese el punto de partida para la descripción de estos tres dominios. Según Carl Woose, los dominios se representan de la siguiente manera: Figura 2. Sistema de Clasificación de Carl Woose. Recuperada de: http://knoow.net/es/ciencias-tierravida/biologia-es/sistema-los-3-dominios-woese/ A. Bacteria – puede hallarse en el suelo u océanos. Se compone de un grupo muy amplio de seres vivos procarióticos; la conformación de la membrana celular de estos microorganismos los hace poco resistentes a condiciones extremas. Se pueden clasificar dentro de este grupo las cianobacterias, bacterias Gram (+) y Gram (-). B. Archea – compuestos por estos seres vivos procarióticos que existen en ambientes extremos. Estos contienen una membrana celular resistente que les permite sobrevivir a altas temperaturas o elevadas concentraciones de sal. 4 Módulo 2 Microorganismos C. Eucariota – en este dominio se agrupan todos los seres vivientes eucarióticos. Los reinos protista, fungi, plantae y animalia (el sistema de clasificación de los 5 reinos – Whittaker) componen este dominio, convirtiéndolo en uno de los más diversos a nivel celular. A pesar de ser bastante aceptada, la clasificación realizada por Carl Woose ha encontrado resistencia por parte de algunos investigadores, siendo aún necesario desarrollar mucha investigación en esta área para así poder ser ampliamente aceptada. 6.2 Nomenclatura binomial La nomenclatura binomial es un método estándar utilizado para clasificar los diferentes tipos de organismos (vivos o extintos). ¿Por qué utilizar el término binomial? porque se utilizan dos palabras para la identificación del individuo: la primera, el nombre del género, y, la segunda, un epíteto latino o nombre específico. A través de esta designación, una especie queda identificada como si tuviera “nombre y apellido”. En el contexto científico, la utilidad de la formula binaria es importante porque permite adjudicar un nombre a aquellos especímenes que ni siquiera tienen un nombre común. Este mecanismo permite superar las dificultades comunicacionales en diferentes lenguas a partir del reconocimiento universal y convenido de un sistema de nomenclatura estándar. 6.3 Células Procariotas Vs. Eucariotas Podemos definir la célula como la unidad más pequeña que puede vivir por sí misma y que constituye todos los organismos vivos. Entonces, ¿a qué nos referimos cuando hablamos de una célula procariota? La célula procariota (figura 3) carece de un núcleo definido, que se compone de material genético localizado en una región conocida como nucleoide. Los organismos procarióticos se clasifican como unicelulares. Las bacterias son un claro ejemplo de células procariotas. Estas pequeñas unidades contienen en su interior estructuras muy simples y una morfología muy variada. Estas células pueden ser clasificadas de acuerdo a su forma en cocos, bacilos, espirilos y vibrios. 5 Módulo 2 Microorganismos Figura 3. Célula Procariota. Recuperada de: http://sv.tiching.com/celula-procariota-con-sus-partes/recursoeducativo/688718 La célula procariota dispone de dos formas de alimentación: a. Autótrofa – La unidad es capaz de nutrirse por sí misma, cuando lo hace utilizando luz solar se le conoce como fotosíntesis. La célula utiliza la fuente solar para convertir la materia inorgánica de su entorno en materia orgánica que va a utilizar para poder crecer y desarrollarse. Cuando lo hace utilizando materia orgánica u oxidando la materia inorgánica como fuente de energía, recibe el nombre de quimiosíntesis. b. Heterótrofa – La célula necesita de otro organismo al que parasita para poder alimentarse y vivir. Esos organismos pueden ser un ser vivo en proceso de descomposición (conocido como nutrición saprófita), un organismo al que colonizan sin provocarle la muerte (nutrición parásita) o cuando se produce un “acuerdo” en la que parásito y parasitado salen beneficiados (nutrición simbiótica). Estas células pueden reproducirse a través de uno de los siguientes mecanismos: a. Reproducción asexual – Es un modo de reproducción simple. Una vez que el material genético y el citoplasma se han dividido, la célula se divide en dos por medio un proceso conocido como fisión binaria. b. Reproducción parasexual – En este tipo de reproducción intervienen tres procesos: 6 Módulo 2 Microorganismos 1. Conjugación: una célula establece contacto con otra a través de una estructura conocida como “pili o fimbriae”, uniendo sus citoplasmas y transfiriendo parte de su material genético (“ADN”). 2. Transferencia: la célula tiene trozos de “ADN” de un organismo parasitado a otro organismo receptor; es el modo en el que el ADN se transfiere. 3. Transformación: el “ADN” puede estar flotando libremente, lo que se conoce como “plásmidos”, que puede proceder de la degradación de otras células, y se introducen a través de la membrana. Por otro lado, ¿cómo poder distinguir una célula eucariota (figura 4)? Esta entidad posee un núcleo organizado con una envoltura celular (membrana) que lo aísla del resto de la célula. Estas células forman parte de los organismos multicelulares como las plantas, los animales y los hombres. Figura 4. Célula Eucariota. Recuperada de: https://conceptodefinicion.de/citoplasma/ La envoltura o membrana celular (también conocida como membrana plasmática) es un tegumento muy fino la cual brinda forma, le protege y permite el paso de ciertas sustancias del exterior al interior de la célula. Tanto la célula vegetal como la animal poseen esta membrana celular que las aísla del exterior, protegiéndolas. Sin embargo, la célula vegetal y micótica (hongos) cuentan, además, con una pared celular, estructura la cual le confiere una 7 Módulo 2 Microorganismos resistencia y rigidez. La pared celular de la célula vegetal contiene celulosa, mientras que la célula micótica se compone de una proteína conocida como quitina. El núcleo, el cual contiene el material genético, regula las funciones de la célula, que está cubierta por una membrana nuclear. En el interior del núcleo se encuentra una estructura conocida como nucléolo. Pero, ¿cuál es su función? En el nucléolo ocurre la transcripción, procesamiento y ensamblaje de las subunidades que conforman los ribosomas. El citoplasma, sustancia gelatinosa compuesta principalmente de agua sirve de albergue a unas pequeñas estructuras conocidas como organelos. Entre los diferentes orgánulos u organelos podríamos distinguir los siguientes: 1. Lisosoma: estructura formada por pequeñas vesículas rodeadas por una membrana y las cuales contienen enzimas digestivas. Su función es digerir los alimentos que llegan a la célula. 2. Mitocondria: orgánulos encargados de suministrar la energía necesaria para el funcionamiento óptimo de la célula. 3. Cloroplastos: son exclusivos de las células vegetales, estructura la cual permite se lleve a cabo la fotosíntesis. 4. Aparato de Golgi: estructura muy importante para la producción de lípidos y proteínas, funciona como una “empresa empaquetadora” –sintetiza, envasa y distribuye las sustancias generadas por la célula a sus respectivos destinos en el citoplasma. 5. Ribosomas: estructuras esféricas encargadas de la producción de proteínas. 6. Retículo endoplásmico rugoso: orgánulo celular encargado de la síntesis y el transporte de las proteínas; esta estructura contiene ribosomas en su membrana. 7. Retículo endoplásmico liso: estructura que se encarga de la producción de lípidos, detoxificación y el metabolismo de la glucosa. Este orgánulo carece de ribosomas en su membrana. 8 Módulo 2 Microorganismos 8. Peroxisoma: estructura celular que contiene enzimas (oxidasa y catalasa) y participa en el proceso de detoxificación celular. 9. Vesícula: orgánulo que forma un compartimiento pequeño y cerrado. Almacena, transportan o digieren productos y residuos celulares. 10. Citoesqueleto: estructura celular compuesta por filamentos, brinda sostén, mantiene la arquitectura y forma celular. Los centriolos, estructuras cilíndricas que participan en la división celular y ayuda a que se mantenga la forma de las células, forman parte del citoesqueleto. A continuación, se presentan algunas diferencias entre la célula procariota y eucariota (tabla 1): PROCARIOTA EUCARIOTA Contiene material genético disperso en el Contiene material genético, que se citoplasma. encuentra en el núcleo. “ADN” o material genético circular. “ADN” o material genético lineal. Estructuras internas simples. Estructuras internas complejas. Tamaño de la célula: 0.2. – 2 micrómetros. Tamaño de la célula: 10 – 100 micrómetros. Reproducción asexual. Reproducción asexual y sexual. Tabla 1. Diferencias entre célula procariota y eucariota. 6.4 Cultivo de microorganismos Debido al pequeño tamaño de los microorganismos, la información que puede obtenerse acerca de sus propiedades a partir del examen de los individuos es limitada. En la mayoría 9 Módulo 2 Microorganismos de los casos se estudian poblaciones que contienen millones o miles de millones de individuos. Estas poblaciones se obtienen al hacer crecer los microorganismos bajo condiciones más o menos bien definidas, como cultivos. Uno de los métodos más importantes para poder identificar un microorganismo es observar su desarrollo y subsistencia por medio de sustancias alimenticias artificiales preparadas en el laboratorio. El material alimenticio en el cual pueden crecer los microorganismos se les conoce como “medio de cultivo” y el crecimiento de los microorganismos es el “cultivo”. ¿Cuáles son los requisitos para que se pueda manifestar crecimiento en un medio artificial? Para que los microorganismos, como las bacterias, puedan subsistir en un medio de cultivo, se necesita de lo siguiente: temperatura, grado de humedad, presión de oxigeno adecuada, así como un grado correcto de acidez o alcalinidad. Un medio de cultivo debe contener los nutrientes y factores de crecimiento necesarios y debe estar exento de todo microorganismo contaminante. ¿Cuál es el componente a utilizar para la producción de un medio de cultivo? El agar es un elemento solidificante muy empleado para la preparación de medios de cultivos. Este componente se licua completamente a la temperatura del agua hirviendo y se transforma a un medio sólido al enfriarse a una temperatura de cuarenta (40) grados. Con mínimas excepciones, el agar no tiene efecto sobre el crecimiento de las bacterias y no es atacado por aquellas que crecen en él. La gelatina es otro agente solidificante pero se emplea mucho menos ya que bastante bacterias provocan su licuación. En los diferentes medios de cultivos se encuentran numerosos materiales de enriquecimiento como hidratos de carbono, suero, sangre completa, bilis etc. ¿Cuál es la función de estos ingredientes? Los hidratos de carbono aumentan el valor nutritivo del medio y permite detectar reacciones de fermentación de los microorganismos que ayuden a identificarlos. El suero y la sangre completa se añaden para promover el crecimiento de los microorganismos menos resistentes. A estos ingredientes se les añade colorantes que 10 Módulo 2 Microorganismos actúan como indicadores para identificar, como, por ejemplo, la formación de ácido o como inhibidores del crecimiento de unas bacterias y no de otras. El Rojo Fenol se usa como indicador ya que es rojo en pH básico y amarillo en pH ácido. La Violeta de Genciana se usa como inhibidor ya que impide el crecimiento de la mayoría de las bacterias Gram positivas. 6.5 Requisitos para el cultivo de microorganismos El crecimiento y la subsistencia de los microorganismos en un medio de cultivo se ve afectado por una serie de factores de gran importancia, como los siguientes: A. Disponibilidad de nutrientes adecuados: Un medio de cultivo adecuado, para uso microbiológico, ha de contener, como mínimo, carbono, nitrógeno, azufre, fosforo y sales inorgánicas. En ciertos casos, es necesario de ciertas vitaminas y otras sustancias inductoras del crecimiento. La forma más actualizada de aportar estas sustancias es utilizar peptona; que provee de nitrógeno y carbono a la mayoría de los microorganismos. Algunas bacterias necesitan de un valor nutricional más específico, es por esto que se le añaden a muchos medios de cultivo; suero, sangre, ciertos carbohidratos y minerales como el calcio, magnesio, manganeso, sodio o potasio y sustancias promotoras del crecimiento, generalmente de naturaleza vitamínica. En algunas ocasiones, se le agregan colorantes, para que actúen, ya sea como indicadores de ciertas actividades metabólicas o por la capacidad de servir como inhibidores selectivos de ciertos microorganismos. B. Consistencia adecuada del medio: La densidad líquida de un medio puede modificarse añadiendo ciertas sustancias como albúmina, agar o gelatina, que da como resultado un estado semisólido o sólido. Al utilizar un medio solidificado con gelatina se presenta un inconveniente; muchos microorganismos no se desarrollan adecuadamente a temperaturas inferiores al punto de fusión de este solidificante y de que otros tienen la capacidad de licuarla. En la actualidad, los medios de cultivos sólidos son los más utilizados por su versatilidad y comodidad, aunque hay medios líquidos los cuales se utilizan ampliamente en el laboratorio. 11 Módulo 2 Microorganismos C. Importancia del oxígeno y otros gases: La presencia o ausencia de oxigeno determina si el microorganismo tiene la capacidad de poder subsistir en su entorno. Las bacterias aerobias pueden crecer en presencia de oxígeno. Sin embargo, los microorganismos anaerobios se desarrollan adecuadamente en una atmosfera sin oxígeno ambiental. Desde un punto de vista intermedio; los microorganismos microaerófilos crecen mejor en condiciones atmosféricas parcialmente anaerobias (tensión de oxígeno muy reducida), mientras los anaerobios facultativos tienen un metabolismo capaz de adaptarse a cualquiera de las citadas condiciones. D. Condiciones adecuadas de humedad: Un ambiente húmedo, tanto en la atmosfera como en el medio, es indispensable para el desarrollo de células vegetativas microbianas en los cultivos. Es necesario mantener condiciones mínimas húmedas, como mantener los medios de cultivos en una temperatura entre 35 y 37 grados Celsius, el mismo mantiene el entorno óptimo para el crecimiento de los cultivos y evitar así la desecación. E. Luz ambiental: La mayoría de los microorganismos se desarrollan mucho mejor en la obscuridad, con excepción, de los organismos microscópicos fotosintéticos. F. pH: La concentración de iones hidrógeno o la medida de cuán ácida o alcalina es una sustancia es muy importante para el crecimiento de los microorganismos. La mayoría de ellos se desarrollan mejor en medios con un pH neutro (6.5 - 7.5), aunque los hay que requieren medios más o menos ácidos. No debe olvidar que la presencia de ácidos o bases en cantidades que no impiden el crecimiento bacteriano pueden sin embargo inhibirlo o incluso alterar sus procesos metabólicos normales. G. Temperatura: La temperatura es uno de los principales factores los cuales promueve el crecimiento y la subsistencia de los microorganismos. De acuerdo con este parámetro, podemos identificar los mesófilos; estos crecen de forma óptima a temperaturas entre 15 – 43 grados Celsius. Sin embargo, los psicrófilos crecen a 0 grados Celsius, los termófilos a 12 Módulo 2 Microorganismos un ambiente aproximado de 45 grados Celsius y el hipertermófilos a temperaturas en o mayor a 80 grados Celsius. H. Esterilidad del medio: Todos los medios de cultivo han de estar perfectamente estériles para evitar la aparición de formas de vida que puedan alterar, enmascarar o incluso impedir el crecimiento microbiano normal del o de los especímenes inoculados en dichos medios. El sistema clásico para esterilizar los medios de cultivo es el autoclave (que utiliza vapor de agua a presión como agente esterilizante). 6.6 Clasificación de los medios de cultivo Los medios de cultivos pueden clasificarse (tabla 2) de acuerdo a los siguientes criterios: Criterios establecidos para su clasificación Origen Natural: preparados a partir de sustancias naturales de origen animal o vegetal como extractos de tejidos o infusiones y cuya composición química no se conoce con exactitud. Sintético: son aquellos que contienen en su composición química definida cualitativa y cuantitativa, se utiliza para obtener resultados reproducibles. Semisintético: son los sintéticos a los que se les añade factores de crecimiento bajo una forma de extracto orgánico complejo, como por ejemplo, extracto de levadura. Estado físico Líquido: conocido también como “caldo”, es 13 Módulo 2 Microorganismos más utilizado es el caldo nutritivo, compuesto principalmente de extracto de carne, peptona y agua. Semisólido: se prepara a partir de los líquidos, añadiendo un agente solidificante a menor proporción que para un medio sólido. Se utiliza para determinar la movilidad de las bacterias. Sólido: se prepara a partir de un medio líquido con un agente solidificante como gelatina. Uso General: no selectivo, para un cultivo de amplia variedad de organismos difíciles de hacer crecer. Estos pueden enriquecerse con suero, sangre, hemoglobina u otros factores necesarios para el crecimiento de las bacterias (ej., Agar de Sangre). Selectivo: se añaden sustancias las cuales permiten el crecimiento de ciertos microorganismos pero impide el desarrollo de otros. Existen medios de cultivo de moderada o alta selectividad (ej., Mc Conkey). Enriquecidos: reduce o suprimen el crecimiento de la flora competitiva normal potenciando el cultivo y crecimiento deseado (ej., medio con vitamina K). Identificación Diferenciales: 14 medios especiales para Módulo 2 Microorganismos estudiar propiedades fisiológicas como la nutrición, respiración, etc. Tabla 2: Clasificación de los Medios de Cultivos. 6.7 Conservación de cultivos puros Para estudiar las propiedades de un organismo es necesario no sólo su aislamiento a partir de una población microbiana natural mixta, sino también su mantenimiento y el de su descendencia en estado aislado, en un ambiente artificial en el que se impida el acceso de otros microorganismos. Un cultivo puro es aquel en el que todos los microorganismos provienen de una sola célula. ¿Cómo obtener un cultivo puro a partir de una población mixta?; el mismo se lleva a cabo en dos etapas: La muestra debe diseminarse con el propósito de que los diferentes microorganismos queden lo suficientemente separados sobre la superficie de un medio sólido. Luego de la incubación, se promueve la posibilidad de formarse colonias visibles aisladas. A este proceso se le conoce como “aislamiento”. Luego de obtener las colonias aisladas, estas deben transferirse con el filamento a un tubo que contenga agar nutritivo estéril para cultivar esa colonia aislada, este procedimiento se le conoce como “transplante”. El medio de cultivo utilizado en el proceso de aislamiento depende de los requerimientos nutricionales de los microorganismos que se espera aislar y de la presencia de microorganismos, que, por medio de sus características o la cantidad disponible en la muestra, dificulten la obtención del microorganismo objeto del aislamiento. Para estos fines, se utilizan medios de enriquecimiento y medios selectivos que inhiban el desarrollo de gérmenes contaminantes. 6.8 Curva de crecimiento microbiano 15 Módulo 2 Microorganismos Figura 5. Curva de Crecimiento Bacteriano. Recuperada de: https://www.lifeder.com/curva-crecimientobacteriano/ El crecimiento es el aumento de la cantidad de constituyentes y estructuras celulares. El crecimiento de una población es el aumento en el número de células como consecuencia de un crecimiento individual y posterior división. ¿Cuál es el propósito de la curva de crecimiento bacteriano? ¿Cuál es su importancia? La curva de crecimiento bacteriano (figura 5) es una representación gráfica del crecimiento de una población bacteriana en el tiempo. Es por esto que los microbiólogos han desarrollado herramientas que les permiten comprender mejor este aspecto. ¿Cuál es el método a utilizar para evaluar este factor? En el laboratorio las bacterias generalmente se cultivan en un caldo nutritivo contenido en un tubo o una placa de agar. Estos cultivos se clasifican como sistemas cerrados porque sus nutrientes no son renovados y los productos de desecho no se eliminan. Bajo estas condiciones, la población celular aumenta en número de manera predecible y luego disminuye. Los datos obtenidos por medio de ese crecimiento microbiano nos ofrece una representación gráfica con fases bien definidas, las cuales se discutirán brevemente, a continuación: a. Fase de adaptación (“lag”): conocida también como “fase de retraso”. Es un período relativamente plano en el gráfico, en el que la población parece no crecer o está 16 Módulo 2 Microorganismos creciendo a un ritmo muy lento. El crecimiento se retrasa principalmente porque las células bacterianas inoculadas requieren un período de tiempo para adaptarse al nuevo ambiente. En este período, las células se preparan para multiplicarse, por lo tanto, se encargan de producir las sustancias necesarias para llevar a cabo este proceso. b. Fase exponencial: las células se dividen a una velocidad consistente. La duración de este período es variable, continuará mientras las células tengan nutrientes y el ambiente sea favorable. La susceptibilidad que muestran las bacterias ante los antibióticos y sustancias químicas hacen de esta fase una muy importante desde el punto de vista médico. c. Fase estacionaria: la población entra en un estado de supervivencia en el que las células dejan de crecer o crecen lentamente. La curva se nivela porque la tasa de muerte celular equilibra la tasa de multiplicación celular. Una reducción en la tasa de crecimiento es causada por el agotamiento de los nutrientes y de oxígeno, excreción de ácidos orgánicos y otros contaminantes bioquímicos en el medio de crecimiento. El tiempo que permanecen en esta etapa varía según la especie y las condiciones ambientales, algunas poblaciones de organismos permanecen en esta fase durante unas pocas horas, mientras que otras permanecen por días. d. Fase de muerte: a medida que los factores limitantes se intensifican, las células comienzan a morir a una velocidad constante, pereciendo en sus propios desechos. La curva se inclina hacia abajo para entrar en la fase de muerte. La velocidad con la que ocurre la muerte depende de la relativa resistencia de la especie y cuan toxicas son las condiciones pero generalmente es más lenta que la fase de crecimiento exponencial. 7 Referencias Bauman, R. (2014). Microbiology with Diseases by Body System. (4ta.ed). EEUU: Cummings Publisher. Leboffe, M. & Burton E. P. (2011). Microbiology: Englewood, CO.: Morton Publisher. 17 aboratory Theory and Application Módulo 2 Microorganismos 18