El Mundo de Los Microbios
El Mundo de Los Microbios
El Mundo de Los Microbios
COMITÉ DE SELECCIÓN
EDICIONES
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
PRÓLOGO
I. LOS PRINCIPIOS DE LA MICROBIOLOGÍA
II. METABOLISMO BACTERIANO
III. LAS BACTERIAS Y LA HISTORIA DE LA TIERRA
IV. LOS MICROBIOS AL SERVICIO DEL HOMBRE
CONTRAPORTADA
C O M I T É D E S E L E C C I Ó N
Comité de Selección:
Coordinadora Fundadora:
Coordinadora:
E D I C I O N E S
La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que
pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de
Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia
y Tecnología.
ISBN 968-16-2703-2
Impreso en México
D E D I C A T O R I A
A G R A D E C I M I E N T O S
Quiero agradecer la paciente ayuda de Nora Vázquez Laslop, Francisco Mariscal y María
del Carmen Farías en la preparación del texto. También agradezco a la señora Guadalupe
Ramírez, quien mecanografió una y otra vez el manuscrito, y al personal de mi
laboratorio, por su constante interés. Las microfotografías se deben al doctor Alfonso
Cárabez y al señor Jorge Sepúlveda de la Unidad de Microscopía Electrónica de este
Instituto.
P R Ó L O G O
Así pues, este libro empieza describiendo cómo la humanidad se dio cuenta de la
existencia de los microorganismos, lo que le permitió explicar la causa de algunas
enfermedades, hasta el grado en que se creó una ciencia encargada de su estudio. Estos
pequeños organismos han facilitado el desarrollo del conocimiento sobre los aspectos
bioquímicos de la vida. Veremos en las páginas siguientes cómo los microorganismos se
adaptaron a diversos ambientes, tan extremos algunos que semejan, quizá, las
condiciones que prevalecían en nuestro planeta hace millones de años; y cómo han
constituido una ayuda invaluable en el estudio de los orígenes de la vida en nuestro
planeta.
La curiosidad científica, que aparentemente no conduce a nada, ha sido sin duda la que
ha permitido al género humano poseer el conocimiento actual sobre la naturaleza. Este
conocimiento, generado por el quehacer de la ciencia, ha permitido obtener resultados
que han modificado la historia y el curso de la humanidad.
Ciudad Universitaria,
I . L O S P R I N C I P I O S D E L A M I C R O B I O L O G Í A
Lucrecio fue conocido por su punto de vista peculiar sobre la materia, ya que pensaba que
las cosas surgían de una especie de átomo o semilla. En su obra De Rerum Natura (75 a.
C.) sugiere que las plagas eran causadas por una especie de átomo. Y en el libro VI dice:
"Así como hay semillas benéficas para nuestra vida, seguramente existen otras que
causan enfermedad y muerte," Este punto de vista puede ser considerado como un claro
ejemplo de que se intuía ya que la naturaleza de la infección era microbiana. Sin
embargo, estas semillas no se consideraban como organismos vivientes.
Por otra parte, prevalecía la idea de que las cosas emergían de semillas y que sólo la
combinación de varias de ellas podría dar origen a un organismo completo. Así pues,
existía la duda sobre el origen de la primera semilla. De alguna forma esta primera
semilla se había generado espontáneamente, es decir que podían aparecer organismos
vivientes a partir de materia no viviente. A esta corriente de pensamiento se le conoció
como la teoría de la generación espontánea y persistió por más de 1 500 años.
El contagio de las enfermedades. La epidemiología es la rama de la medicina que estudia
la propagación de las enfermedades y se inició mucho antes de que se aplicara el término
"enfermedad contagiosa" por los aún desconocidos agentes causantes de las infecciones.
Las ideas de Lucrecio sobre la naturaleza de la materia fueron resucitadas por Giordano
Bruno,al final del siglo XVI, e influenciaron profundamente a Robert Boyle. Sin embargo,
el simple razonamiento sobre la existencia de los microbios no constituyó la prueba de su
verdadera existencia. Ésta sólo pudo ser demostrada gracias al descubrimiento de una
lente de aumento.
El microscopio abrió las puertas de otro universo. El holandés Antonie van Leeuwenhoek
(1632-1723) fabricó la primera lente lo suficientemente poderosa como para observar a
los organismos unicelulares. Utilizó una lente convexa y colocó al objeto dentro de la
distancia focal (Figura 2). Este arreglo produce una imagen virtual o aparente muy
amplificada; con este rudimentario pero ingenioso microscopio logró observar muchos
"pequeños animalillos". Éstos incluían protozoarios, tanto de vida libre como parásitos de
las vísceras de algunos animales; también logró observar hongos filamentosos y
corpúsculos globulares que ahora conocemos como levaduras. Hizo importantes
observaciones sobre la estructura de las plantas y descubrió los espermatozoides de
algunos animales. Fue hasta 1676 que pudo observar organismos aún más pequeños,
como las bacterias.
Figura 2. Diagrama del microscopio utilizado por Leewenhoeck. El objeto "O" se coloca dentro de
la distancia focal "F" y esto da por resultado una imagen virtual "T" muy amplificada.
Por otra parte, el microscopio compuesto, capaz de ampliar la imagen con mayor
eficiencia y más conveniente para su uso, fue inventado en 1590 por Zacharías Jensen y
usado en 1630 por F. Stellerti para estudiar la miel de abeja y los escarabajos. Sin
embargo, todos los modelos producidos hasta antes de 1800 no poseían la resolución y la
calidad de los microscopios de un solo lente.
Las observaciones de Leeuwenhoek llamaron mucho la atención, pero eso fue todo. Nadie
en esta época trató de repetir o extender sus observaciones, ya que la alta calidad de sus
lentes y su gran agudeza visual fueron factores determinantes para desalentar a cualquier
competidor. A esto se debió el gran retraso que sufrió el desarrollo de microscopios más
potentes.
En un principio existían dos escuelas bien definidas de pensamiento: aquélla que tomando
a Lucrecio al pie de la letra apoyaba la idea de que se podrían generar animales a partir
de materia muerta gracias a la existencia de una "fuerza vital" (generación espontánea) y
la que decía que la vida sólo se genera a partir de vida (en latín omne vivum ex vivo).
Los antiguos que creían en la generación espontánea daban recetas para preparar
"ratones" a partir de comida en putrefacción. Opuestas a este punto de vista eran las
ideas de Redi, quien en 1668 mostró que la aparente generación espontánea de larvas en
la carne provenía de la visita de las moscas que ponían huevecillos sobre ella. Sin
embargo, Needham, otro investigador, hirvió extracto de carne en un frasco, lo tapó y
encontró que después de algunos días aparecían criaturas que se movían. Esto, aunado a
la idea de que los organismos vivientes morían al ser hervidos, llevó a pensar que dichos
organismos eran realmente producto de la generación espontánea.
Más tarde, Spallanzani llevó a cabo experimentos más cuidadosos con los que demostró
que los organismos grandes eran destruidos al ser hervidos durante 30 segundos, pero los
microorganismos sobrevivían y se desarrollaban aunque los frascos estuvieran
herméticamente cerrados. Después de muchos ensayos, encontró que si hervía los frascos
parcialmente cerrados durante 45 minutos, el contenido se mantenía sin contaminarse
casi indefinidamente, y sólo si se permitía la entrada de aire, el contenido entraba en
putrefacción rápidamente. Estos resultados llevaron a pensar que, al hervir el contenido,
el aire del frasco se hacía inadecuado para la existencia de vida en su interior y esto era
interpretado como la ausencia de la "fuerza vital".
Un cocinero francés, llamado Francois Appert, a principios del siglo XIX desarrolló el arte
de preservar comida en frascos sellados: lo lograba hirviendo el contenido dentro del
frasco y cerrándolo sin permitir la entrada de aire fresco. Observó que así el contenido se
mantenía libre de microorganismos por tiempo indefinido. Este hallazgo lo llevó no
solamente a fundar una importante industria, la de las conservas, sino a ser
inmensamente rico.
Más tarde, la técnica de estos experimentos fue simplificada y en 1853 Schroeder y Von
Dush descubrieron que, después de hervir el recipiente, bastaba con cerrar el extremo
abierto con un tapón de algodón. De esta manera, el aire que entraba a través del
algodón se filtraba al pasar por los múltiples y tortuosos caminos dentro del mismo. Estos
experimentos abrieron el camino sobre el cual se basaron los métodos para cultivar
bacterias. Dos postulados importantes se derivan de estos resultados: el primero consiste
en hacer un medio de cultivo adecuado que esté libre de microorganismos y esto se logra
hirviéndolo; el segundo consiste en mantener el medio estéril por largo tiempo y esto se
logra evitando la entrada de los microorganismos que están suspendidos en el aire.
Pasteur fue quien desechó la teoría de la generación espontánea. Fue el genio de Louis
Pasteur (1822-1895) quien finalmente persuadió al pensamiento científico sobre lo
verdadero de la generalización tan claramente formulada por Schwann en 1837. Pasteur
se valió de una combinación de habilidad científica, persuasión y un sentido muy
particular del drama. Su experimento consistió básicamente en hervir infusiones en un
aparato tal que, cuando el contenido se enfriaba, el aire que entraba era calentado y
luego vuelto a enfriar al pasar por una camisa enfriada con agua. Bajo estas condiciones
la infusión se conservaba libre de contaminación. La figura 3 ilustra el aparato tal como
fue diseñado por Pasteur. Sin embargo, el experimento más sorprendente fue aquel en el
que Pasteur mostró cómo un medio nutritivo permanecía estéril aun cuando estuviera
comunicado con el exterior. Para esto diseñó unos frascos especiales (Figura 4) en los
que, como se puede ver, se permite la entrada de aire, pero no se contaminan porque en
el primer doblez del cuello se retienen los posibles microbios contaminantes. Estos frascos
se encuentran hoy en día tal y como los dejó este notable hombre de ciencia.
Figura 3. Experimento diseñado por Pasteur para demostrar que si el aire que entra al recipiente
cuyo contenido hirvió es previamente calentado, el contenido no se contamina. El aire caliente se
enfría con un trapo mojado antes de que éste llegue al caldo nutritivo.
Pasteur confirmó también los experimentos de Schroeder y Von Dusch, quienes hirvieron
una infusión de carne y cerraron los frascos con tapones de algodón. Este experimento lo
amplió Pasteur utilizando tapones de nitrato de celulosa en lugar de algodón, para
después disolver el tapón en alcohol, de tal forma que los gérmenes atrapados en el tapón
fueran liberados; después examinó el contenido del tapón bajo el microscopio y observó
partículas globulares que semejaban esporas de hongos y bacterias.
En 1869 este físico inglés demostró que al llenarse una cámara con aire que se forzaba a
pasar a través de un algodón, se lograba obtener aire ópticamente vacío. La relación de
sus experimentos con los de Schwann y Pasteur fue obvia para él: las pequeñas partículas
no eran otra cosa que microorganismos. Demostró que el aire ópticamente vacío no
iniciaba el proceso de putrefacción. En 1876 diseñó una cámara (Figura 5) que permitía
observar tanto la presencia de partículas contenidas en el aire como la putrefacción de
cualquier sustancia depositada en el interior de la cámara. Esta cámara tenía además una
entrada para depositar la muestra (B) y una ventilación que servía también para
equilibrar las presiones (A) y consistía en un tubo con varios dobleces. Para determinar la
presencia de partículas en el aire, el rayo de luz (E) se hacía pasar como se muestra en la
figura.
Las bacterias tienen también envolturas celulares diferentes a las de las células de los
animales superiores. Todas presentan una pared formada de un componente químico
específico llamado peptidoglicano, que es el responsable de dar a la célula una envoltura
resistente. La presencia de la llamada pared celular ha permitido catalogar a las bacterias
en gram positivas y gram negativas. Las bacterias que se tiñen con un colorante violeta
son las positivas para la tinción de gram y no tienen pared celular. Otras no se tiñen con
el colorante y se les conoce como gram negativas.
Figura 6. Diferencias estructurales entre la células superiores y las bacteias.
Las bacterias pueden tener organelos que les permitan moverse. Los más comunes son
los flagelos, que se proyectan de su superficie en uno de los extremos de la célula.
Las bacterias pueden ser de muchas formas: esféricas, en forma de bastón y hasta
ramificadas. En general, su tamaño es muy inferior al de una célula de un organismo
superior y su multiplicación es por división asexual. Durante su ciclo reproductivo se
forma una pared divisoria después de que su cromosoma, formado de ADN que contiene
la información genética, se ha duplicado. De esta forma las dos porciones de la célula se
separan, conteniendo cada una de las nuevas células su propio cromosoma (Figura 7).
Algunas bacterias tienen estructuras conocidas como endosporas, las cuales pueden
resistir el paso del tiempo y aun agresiones tales como altas temperaturas y productos
químicos tóxicos que acaban normalmente con una bacteria. Estas esporas permanecen
en estado latente y, bajo condiciones adecuadas, pueden dar lugar a una nueva bacteria.
Las bacterias están íntimamente ligadas a la existencia de la vida sobre la Tierra. Son
causantes de muchas enfermedades, pero también en muchos casos son las responsables
de la continuidad de la vida.
Los microbios y las enfermedades. Sin duda una de las cargas que más ha pesado sobre
la humanidad ha sido las enfermedades causadas por los microorganismos. No solamente
eran la causa más frecuente de muerte sino, además, de las enfermedades que atacaban
a los menores de edad. No en pocas ocasiones a causa de la naturaleza epidémica de las
infecciones, ejércitos y naciones enteras fueron exterminados. Una de las grandes
hazañas de las ciencias médicas y biológicas ha sido el descubrimiento de la causa y el
control de estas epidemias devastadoras. Hoy en día es fácil dar por hecho estos logros
tan importantes y preocuparse por los problemas derivados de los avances tecnológicos.
Sin embargo, Pasteur y Koch llegaron a ser considerados héroes por haber rescatado a la
humanidad de una de las más grandes amenazas con la que tuviera que enfrentarse: la
contaminación microbiana. Es indudable que el avance de la microbiología como una
ciencia es inseparable de su función como pilar fundamental de la medicina moderna.
Figura 7. Ciclo reproductivo de una bacteria. La reproducción se lleva a cabo asexualmente por
división celular. El diagrama muestra las siete etapas del ciclo de vida de la bacteria Escherichia
coli que por lo común se encuentra poblando el intestino grueso de los humanos. 1) El único
cromosoma circular de ADN ya se empieza a replicar. 2, 3) A los 20 minutos el nuevo cromosoma
está completo y se ha fijado a un sitio en la célula. 4) A los 25 minutos los dos cromosomas se han
empezado a duplicar. 5) Aparece una división en el centro de la célula. 6) A los 38 minutos la
división es ya una pared. 7) A los 45 minutos la división se ha completado.
Los microbios del suelo. Al final de la era encabezada por Pasteur, otros investigadores,
como lo fueron Winogradsky en Rusia y Beijerinck en Holanda, comenzaron a explorar la
microbiología del suelo y descubrieron para su sorpresa una gran variedad de
microorganismos en los diferentes tipos de suelo que estudiaron.
Con el desarrollo de la "microbiología del suelo" se hizo aparente que el principal papel
que desempeñan los microbios en la naturaleza es geoquímico. Gracias a la presencia de
bacterias en la tierra, los compuestos orgánicos como el carbono, el nitrógeno y el azufre
pueden ser usados cíclicamente por las plantas y los animales, en vez de que dichos
elementos se encuentren como materia inorgánica muerta.
Por otra parte las algas y, en una menor proporción, las bacterias fotosintéticas llevan a
cabo la otra mitad del ciclo geoquímico, la formación de materia orgánica a partir de
bióxido de carbono (C02) por medio de la fotosíntesis. Es importante enfatizar el papel
benéfico de ciertos microbios, ya que la conexión histórica entre las enfermedades
infecciosas y la microbiología ha dado lugar a la imagen popular de que el mundo de los
microbios es maligno y hostil. Sin embargo, la fracción de microbios nocivos para el
hombre es mínima con respecto al del total de la masa microbiana sobre la Tierra. La
mayoría de los microbios ataca la materia orgánica muerta cuando está bajo tierra y
constituye un factor determinante en la transformación de la materia orgánica.
I I . M E T A B O L I S M O B A C T E R I A N O
TODOS los seres vivos llevan a cabo el procesamiento de los nutrientes que los mantienen
vivos. A este conjunto de procesos, se le conoce como metabolismo y consiste de un gran
número de reacciones químicas destinadas a transformar las moléculas nutritivas en
elementos que posteriormente serán utilizados para la síntesis de los componentes
estructurales; como pueden ser las proteínas. Otra parte importante del metabolismo es
la de transformar y conservar la energía que está contenida en una reacción química en
algún proceso que requiera de energía, como puede ser el trabajo o el movimiento.
Es evidente que los nutrientes son transformados cuando entran en un organismo, ya que
en ningún caso el alimento contiene todas las moléculas que una célula requiere. Esto se
vio con claridad al observar el crecimiento normal de levaduras en un medio de cultivo
que sólo contenía glucosa como única fuente de energía. Así pues, se pensó que la
síntesis de todos los componentes celulares se llevaba a cabo en el interior de las
levaduras. Hoy sabemos que las transformaciones que sufre la glucosa no ocurren en un
solo paso, sino que, por el contrario, se forman varios productos intermedios que en
muchas ocasiones no tienen una función específica a no ser la de formar parte de lo que
se conoce como vía metabólica.
Pasteur pensaba que la fermentación era llevada a cabo por enzimas y que su acción
estaba íntimamente ligada a la estructura y a la vida de las levaduras. Un hecho de gran
importancia que marcó el inicio de la enzimología y de la bioquímica ocurrió cuando, en
1877, Edward Buchner logró que un extracto libre de levaduras enteras llevara a cabo la
fermentación alcohólica. Esto implicaba que tales enzimas, de gran importancia para la
célula viva, eran capaces de llevar a cabo su función con independencia de la integridad
de la estructura celular. En 1926, el notable bioquímico J. B. Sumner aisló y cristalizó por
primera vez una enzima, la ureasa de frijol, y comprobó que era una proteína, lo que era
contrario a la opinión general en aquel tiempo. Tuvieron que pasar 10 años, hasta 1926
que fue cuando Northrop cristalizó otras tres enzimas, para establecer finalmente que
éstas son proteínas especializadas en una reacción. Hoy en día se conocen quizá más de 2
000 enzimas diferentes y, aunque se sabe mucho acerca de ellas, quedan aún grandes
dudas sobre su control genético y su modo de acción.
Figura 9. (a) Enzima con uno o dos sitios activos y una cadena de aminoácidos. (b) Enzima con
varias cadenas de aminoácidos y varios sitios activos.
Estas proteínas actúan sobre una sola molécula, es decir, son como una llave y una
cerradura: la llave es la molécula y la cerradura es la enzima. La posibilidad de que una
llave abra otra cerradura que no sea la que le corresponde es muy remota. Pues bien, lo
mismo ocurre con las enzimas: la posibilidad de que una enzima actué sobre otra
molécula que no sea la que le corresponde es muy baja.
La velocidad a la que dichas enzimas trabajan es muy alta y esto las hace muy eficientes.
Su actividad está en función directa de la cantidad de moléculas que va a ser
transformada y su acción es regulada en parte por la aparición en el medio del producto
final de la reacción, que de hecho inhibe su actividad. Su acción puede ser concertada es
decir, que una enzima se encuentra dentro de un proceso más o menos largo de
degradación o de síntesis y de esta forma el producto de dicha enzima será el sustrato de
la siguiente enzima y así sucesivamente (Figura 13).
Figura 10. Simplificación de la relación que guardan los organismos autótrofos y heterótrofos.
El metabolismo se podría definir como el conjunto de reacciones químicas que ocurren en
la célula y que tienen por objeto generar la energía y los componentes necesarios para
que ésta lleve a cabo sus funciones. Esta definición estaría incompleta si no aclaramos
antes que todas estas reacciones están altamente coordinadas y dependen del perfecto
funcionamiento de los sistemas multienzimáticos.
El ciclo del carbono y del oxígeno. En la figura 10 podemos ver cómo se relacionan los
organismos fotosintéticos y los que dependen de ellos. Los primeros, por medio de la
energía luminosa del Sol, más el agua y el bióxido de carbono (C02) del suelo, llevan a
cabo la fotosíntesis, produciendo así glucosa y oxígeno. A partir de estos compuestos
básicos que se convierten en materia orgánica, los organismos dependientes obtienen a
su vez los nutrientes que, al ser utilizados, son transformados y liberados al medio en
forma de agua y C02. Estas moléculas a su vez serán nuevamente utilizadas por los
organismos fotosínteticos.
Así pues, la interrelación entre ambos tipos de organismos crea a su vez un ciclo
importante para la conservación de la vida en la Tierra. A éste se le conoce como ciclo del
carbono y del oxígeno.
El ciclo del nitrógeno. El nitrógeno es sin duda un elemento muy importante para el
metabolismo, ya que forma parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y de muchas
moléculas de gran importancia biológica. De manera similar a lo que ocurre con el
carbono, el nitrógeno forma parte de un ciclo que hace a los diferentes tipos de
organismos vivos depender entre sí. Esto se debe básicamente a que, a pesar de que el
nitrógeno se encuentra distribuido en cantidades enormes en la atmósfera, es un
elemento poco reactivo y debido a eso no puede ser aprovechado por la mayoría de las
formas de vida. El nitrógeno debe ser asimilado por las plantas bajo la forma de nitrato o
amoniaco, o bien por los animales bajo la forma de animoácidos, los cuales forman parte
estructural de las proteínas.
La asimilación del nitrógeno en los ciclos de vida depende de varios factores. Las plantas
toman el nitrógeno de la tierra en la forma de nitrato y lo utilizan para llevar a cabo las
funciones metabólicas que dependen de este elemento. Por otra parte, los organismos
dependientes utilizan las proteínas vegetales como nutrientes para aprovechar el
nitrógeno contenido en éstas y lo devuelven a la tierra en forma de amoniaco como
producto de desecho, o bien como producto de descomposición después de su muerte
como se muestra en la figura 11. En la tierra, una especie de bacterias transforma al
amoniaco en nitrato, el cual puede nuevamente ser utilizado por las plantas.
Figura 11. El ciclo del nitrógeno. Este ciclo mantiene el balance entre las dos vastas reservas de
compuestos nitrogenados: la atmósfera y la corteza terrestres.
Existen, sin embargo, algunas especies de bacterias muy peculiares, conocidas como
fijadoras de nitrógeno, que son capaces de procesar el nitrógeno atmosférico que por lo
general no se asimila. Estas bacterias lo transforman en un producto útil para los
organismos que dependen de él, como las plantas. Las bacterias fijadoras de nitrógeno
atmosférico se asocian íntimamente con las raíces de algunas plantas. De esta forma,
algunas, como el frijol, no requieren de ningún tipo de abono o fertilizante, ya que su
asociación con la bacteria les permite utilizar en forma directa el nitrógeno atmosférico.
Este tipo de simbiosis se antoja atractiva para que otras plantas, que requieren de
fertilizantes, sean capaces también de asociarse con estas bacterias. Un gran número de
investigadores en México y otras partes del mundo se encuentra interesado en este
problema tan importante para la agronomía. Así, se están estudiando las posibilidades de
establecer este tipo de interacción bacteria-planta en plantas que normalmente no lo
hacen.
El metabolismo en los seres vivos es muy flexible y se puede ajustar a la cantidad y tipo
de nutrientes disponibles en el medio que rodea a un microorganismo. Un ejemplo lo
podemos obtener de las levaduras, las cuales se adaptan a las condiciones en que se les
mantenga, pues poseen todo el conjunto de enzimas necesario para sintetizar sus
elementos básicos como los aminoácidos y todos los demás componentes celulares, de tal
manera que si crecen en un medio con glucosa como única fuente de energía, pueden
sintetizar todas las moléculas que necesitan, aunque esto implica un gran gasto en
energía. La levadura puede evitarlo si le proporcionamos los aminoácidos y nutrientes
requeridos, ya que economiza el aparato enzimático responsable de la síntesis de todos
los compuestos que necesita para vivir.
Por otra parte, el anabolismo es la fase del metabolismo durante la cual se sintetizan de
nuevo las moléculas que la bacteria o célula utiliza para regenerarse, mantenerse o
dividirse, como son: las grasas, las proteínas, los azúcares o carbohidratos y los ácidos
nucleicos (ADN y ARN), que forman parte funcional o estructural de los organismos. Esto
lo lleva a cabo el microorganismo o la célula a partir de los constituyentes primarios que
se obtienen de los nutrientes. Sin embargo, tales procesos de síntesis requieren de
energía y ésta la proporciona el ATP que fue generado durante el catabolismo. Así, el
anabolismo y el catabolismo se llevan a cabo simultáneamente y cada uno está regulado
en forma muy precisa, ya que ambos procesos son interdependientes (Figura 12). Las
enzimas que llevan a cabo las diferentes reacciones en el metabolismo funcionan en
forma secuencial, lo que quiere decir que el producto de una reacción enzimática será a
su vez degradado por la siguiente enzima de la cadena de reacciones de alguna vía
metabólica, proceso al que se conoce como de sistemas multienzimáticos. La razón de
este tipo secuencial de reacciones se debe, aparentemente, a los múltiples puntos de
control que ofrece, ya que un solo paso para la conversión de una sustancia presentaría
serios riesgos para un organismo; probablemente por esta razón tal estrategia no ha sido
adoptada por la naturaleza.
Figura 12. El anabolismo y el catabolismo. Todos los procesos que ocurren en la célula o bacteria
requieren de energía. Esta energía está almacenada como moléculas de ATP, que se forma a partir
de ADP y fosfato inorgánico.
La degradación de los nutrientes: Las proteínas, los lípidos y los carbohidratos son
degradados mediante reacciones enzimáticas que ocurren una después de la otra. Este
proceso de degradación está dividido en tres etapas que a grandes rasgos son las
siguientes:
Es a partir de esta molécula que la tercera etapa del metabolismo se lleva a cabo y
consiste en generar la energía que necesita la célula para realizar procesos vitales, como
desplazarse o dividirse, entre otros. En esta etapa ocurre uno de los ciclos metabólicos
más importantes de la biología: el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. Así
pues, todas las moléculas que sirven a un organismo como fuente de subsistencia son
llevadas, por medio de diversos caminos de degradación, a un camino metabólico común.
Esta vía metabólica común degrada una sola molécula en una serie de pasos y como
resultado se obtiene energía principalmente en forma de ATP. Los caminos metabólicos
están finamente controlados. Estos mecanismos de control consisten en que los niveles de
algunos productos regulan la actividad de algunas enzimas, de tal forma que su actividad
se incrementa o disminuye dependiendo de los niveles del producto. Por otra parte, las
concentraciones de ATP, que como ya vimos es una molécula muy importante en el
metabolismo de la célula, regulan también la actividad de ciertas enzimas y esto lo hacen
por medio de la unión del ATP a las enzimas susceptibles de ser reguladas por esta
molécula. La regulación del metabolismo es vital, y de ésta depende que un un organismo
produzca solamente la cantidad necesaria de cada una de las moléculas que requiere para
subsistir y por lo tanto que el desperdicio de energía sea mínimo.
Tanto las bacterias como las células de los seres superiores generan la energía necesaria
durante el catabolismo y la almacenan en forma de ATP. Así, éstas pueden realizar
funciones vitales como el movimiento, el transporte de nutrientes a su interior y la
síntesis de las moléculas que forman parte de su estructura o que tienen funciones
específicas y deben ser sintetizadas en el interior. La síntesis de las moléculas es continua
e implica un recambio constante entre las moléculas que se degradan y las que se
sintetizan. De hecho, los procesos de degradación se conocen, aunque las señales que los
gobiernan son aún tema de intensas investigaciones.
Figura 13. Sistemas multienzimáticos. Estos pueden ser tanto solubles como membranales, de su
disposición depende su función.
Figura 14. Algunas reacciones metabólicas tienen dirección y magnitud; estas reacciones se llevan
a cabo en una membrana que funciona como barrera y que permite acumular una especie química,
que al equilibrarse genera trabajo o energía.
La forma como funciona el complejo enzimático que sintetiza el ATP puede expresarse así:
logra que un protón que se encuentra en el interior sea sacado al exterior. La figura 14
muestra en forma esquemática este proceso. Sumergidas en la membrana de la bacteria
se encuentran las enzimas que componen la cadena respiratoria (así se les conoce, ya que
al funcionar consumen oxígeno). La cadena respiratoria utiliza los compuestos que se
producen durante el catabolismo en el ciclo de Krebs; éstos tienen la propiedad de ceder
un electrón que con un protón formará un hidrógeno que ya no tiene carga. Este
hidrógeno es transportado al lado opuesto de la membrana en donde pierde nuevamente
el electrón y se libera el protón resultante al medio. Así, al cabo de varios ciclos se logra
acumular una gran cantidad de protones en el exterior de la bacteria y esto tiene como
consecuencia que se establezca una diferencia en la concentración de protones, que tiene
la tendencia natural a equilibrarse. Un ejemplo podría ser la situación imaginaria de que
un grupo grande de personas se encuentre en un pequeño cuarto comunicado con otro
por una puerta que sólo se mueve en el sentido del cuarto vacío. Al estar tan apretadas
empujarán dicha puerta y se empezará a llenar el cuarto vacío, y pasado un tiempo el
número de personas será igual en ambos cuartos. Volviendo a la membrana de una
bacteria, lo que ocurre es que la energía que se libera cuando se reequilibria la
concentración de los protones en ambos lados de la membrana, permite que se sintetice
el ATP.
Lo anterior, que hoy en día se ve claro, fue muy difícil de aceptar por la comunidad
científica de la época y pasaron 16 años para que esta teoría fuera completamente
aceptada. Su aceptación culminó con la entrega del premio Nobel a Peter Mitchell, ya que
su teoría permitió explicar una gran cantidad de fenómenos hasta entonces oscuros. Por
ejemplo, si estas reacciones con dirección producen una diferencia en la concentración de
protones se tendrá también una diferencia de cargas (+) (afuera una gran carga positiva).
Esto puede ser usado por algunas especies químicas para entrar, por ejemplo, si su carga
es positiva (A+), o para salir si es negativa (B-). Como estos procesos metabólicos tienen
dirección, magnitud y sentido, se dice que son "vectoriales"; además, son muy
complicados y todavía no los comprendemos en su totalidad, pero baste decir que
constituyen un pilar fundamental de los procesos energéticos celulares, ya que explican
reacciones vitales como la síntesis del ATP o el transporte de nutrientes. Hasta ahora
hemos visto a las bacterias que necesitan obtener su energía a partir de los nutrientes
que se encuentran en el medio. Sin embargo, otro grupo de bacterias muy importantes
son aquéllas cuya fuente principal de energía es la luz que proviene del Sol y de ellas nos
ocuparemos a continuación.
Menos familiares para nosotros, pero igualmente importantes, son las bacterias que
tienen la facultad de utilizar la luz como fuente de energía. Éstas desempeñan un papel
fundamental en la ecología y han servido para el estudio del proceso molecular de la
fotosíntesis en numerosos laboratorios. Cuando se toman muestras de las profundidades
de un lago, cualquiera se sorprendería al notar que el agua huele muy mal; además, hay
que agregar el color verdoso o rojizo del agua. Si la analizamos con más detalle, veremos
que hay producción de gas y que no existe oxígeno. Este ambiente tan hostil alberga a las
poco conocidas bacterias fotosintéticas, responsables de una gran parte de la producción
de materia orgánica en los lagos y parte importante de la cadena biológica. Estos
organismos son muy antiguos y se piensa que son los descendientes directos de las
primeras células fotosintéticas que existieron en la Tierra, entre las que se pueden contar
las algas verdeazules y las bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras. Las algas
verdeazules se pueden encontrar como células únicas o en colonias en la tierra, los ríos,
los lagos y los océanos. Estos organismos pueden vivir utilizando CO2- como única fuente
de carbono y algunos son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.
Las bacterias fotosintéticas verdes que producen azufre (sulfurosas), como Chlorobium,
viven en ambientes carentes de oxígeno, como en el fondo de algunos lagos ricos en
materia orgánica. Estos organismos le dan el color verde característico a estas aguas. Así
encontramos también bacterias púrpuras sulfurosas, como Chromatium, que viven en
ambientes también carentes de oxígeno y que utilizan compuestos con azufre en su
metabolismo. Éstas se encuentran también en algunos lagos y en manantiales de aguas
termales sulfurosas. Finalmente tenemos a las bacterias púrpuras no sulfurosas, que
tienen la peculiaridad de utilizar la luz en ausencia de oxígeno, como las bacterias verdes
y las púrpuras sulfurosas, pero además pueden utilizar al oxígeno durante los periodos de
oscuridad. Estas bacterias poseen en su interior una complicada organización de
moléculas encargadas de captar la luz solar y conservar la energía proporcionada por esta
forma de energía química. La luz que es aprovechada es la luz visible y gran parte de la
cual es empleada también por las plantas verdes, de tal forma que los pigmentos
encargados de captar la luz lo hacen en las regiones del espectro de la luz visible que no
son utilizadas por las plantas. Estas moléculas se conocen como pigmentos antena y,
dado que la intensidad de la luz que llega a las profundidades donde se encuentran estas
bacterias es muy baja, su captación debe ser muy eficiente para así aprovechar la energía
al máximo.
Estos microorganismos cuentan con estructuras internas que contienen las moléculas que
captan la luz de tan baja intensidad. Estas estructuras se conocen como cromatóforos y
contienen moléculas de clorofila típica de estas bacterias, que son las que captan la luz y
retienen la energía que ésta proporciona (Figura 15).
La fotosíntesis. Éste es sin duda uno de los procesos más importantes de captura de
energía en nuestro planeta y lo podemos definir como la forma de utilización de energía
solar que han desarrollado algunos microorganismos fotosintéticos y las plantas, mediante
la cual llevan a cabo la síntesis de todos sus componentes celulares. Este proceso es
fundamental para todos los organismos vivos, ya que es la piedra angular del ciclo de
utilización de la materia en la Tierra.
La luz solar es la fuente primordial de energía en la Tierra, tanto para los organismos
fotosintéticos como para casi todos los organismos heterótrofos. Se utiliza a través de una
complicada serie de procesos que van desde las cadenas alimenticias hasta complejos
procesos industriales. Por ejemplo, el hombre utiliza la energía generada por la
fotosíntesis de organismos que existieron hace millones de años y cuyos productos de
descomposición se emplean en forma de gasolinas y derivados del petróleo, que
proporcionan los combustibles para casi todas las máquinas construidas por el hombre.
Figura 15. Micrografía electrónica de una bacteria fotosintética no sulfurosa, Rhodospirillum
rubrum. En su interior se pueden observar pequeñas estructuras llamadas cromatóforos.
I I I . L A S B A C T E R I A S Y L A H I S T O R I A D E L A
T I E R R A
Sin embargo, posteriormente una nueva simplificación se llevó a cabo, ya que se pensó
que los seres vivos podrían ser divididos en dos nuevamente, sólo que esta división sería
a un nivel más profundo, es decir, sobre la estructura de la célula viviente.
Aparentemente todas las células vistas en un microscopio pertenecían a una de dos
categorías: las que tienen un núcleo bien definido (eucariontes o eucariótico, que significa
de núcleo verdadero) y las células sin núcleo (procarionte, que quiere decir literalmente
antes del núcleo, figura 6)
Las plantas y los animales multicelulares, lo mismo que varios organismos unicelulares y
microscópicos como las levaduras y los protozoarios, tienen un núcleo bien definido y son
eucariontes. Por otro lado están las bacterias que no tienen núcleo. Hasta aquí no parecía
haber dificultad alguna en la clasificación, sin embargo, muy recientemente un grupo de
investigadores ha revisado la clasificación que hasta ahora prevalecía y llegó a
interesantes conclusiones: se encontró que entre las bacterias existe un grupo de
organismos que no parece estar relacionado ni con los organismos superiores ni con los
más simples. Estos nuevos organismos tampoco contienen núcleo, como las bacterias, y
se parecen mucho a éstas en su morfología vistas en un microscopio. Sin embargo, en su
composición química y en la estructura de algunos de sus componentes moleculares son
tan distintos de las bacterias (procariontes) como lo son de los organismos superiores
(eucariontes).
Estos microbios forman por sí mismos un nuevo grupo, que se caracteriza por tener una
forma de vida completamente diferente a lo conocido hasta ahora, al que se ha dado el
nombre de arqueobacterias (arqueo: viejo o primitivo) y este curioso nombre hace
evidentes algunas conjeturas sobre su origen aún no comprobadas. Hay indicios de que
este grupo de organismos es por lo menos tan antiguo como los otros dos, pero como
algunas clases de arqueobacterias tienen formas de metabolismo que se adecuan bien a
las condiciones climáticas que prevalecían probablemente en los orígenes de la historia de
la Tierra, posiblemente las arqueobacterias son el grupo más antiguo de los tres.
Un hecho muy importante es que no solamente los animales y las plantas han dejado
restos de su existencia como fósiles, sino que las bacterias, aunque pequeñas, también
imprimieron la huella de su pasado en la Tierra, ya que, como vimos, estos pequeños
organismos son capaces de modificar el medio ambiente. Los microfósiles, es decir los
fósiles de las bacterias, se encuentran en sedimentos de todas las edades geológicas e
incluso en las rocas sedimentarias que tienen 3 500 millones de años y que son las más
antiguas que se conocen. Las bacterias o microbios existieron en un periodo de la historia
de la Tierra en el que no había otras formas de vida. La Era de las bacterias fue muy
importante, ya que en ella se produjo toda una serie de eventos evolutivos y geológicos.
Hasta hace muy poco no se sabía gran cosa sobre la Era de los microorganismos y, por
otra parte, los microfósiles aislados no dan mucha información. Sin embargo, se han
descubierto otras estructuras fósiles de bacterias que forman aglomerados llamados
estromatolitos y que son aparentemente colonias de bacterias mezcladas con minerales.
Hoy en día se sabe que tales tipos de estructuras constituyen efectivamente aglomerados
peculiares de bacterias que quizá eran fotosintéticas. Se piensa que es así porque los
estromatolitos de bacterias fotosintéticas que se han fosilizado recientemente se
asemejan a los antiguos, a tal grado que es razonable pensar que las estructuras antiguas
también fueron formadas por bacterias fotosintéticas. Ésta es la única evidencia que se
tiene sobre el origen de la evolución de las bacterias, el cual es tan oscuro como lo es el
origen de las formas de vida superiores (Figura 16).
Figura 16. ¿Cuál es el antecesor común de todas las formas de vida? Ésta es sin duda una incógnita
de gran importancia, ya que dentro de este esquema seforma el tronco común, de donde
emergieron los organismos superiores primitivos (eucariontes), las bacterias y las
arqueobacterias.
Recordemos que las células de los organismos superiores son relativamente grandes y
están rodeadas por una membrana dentro de la cual se encuentra una serie de
estructuras que a su vez están rodeadas de otras membranas. Estas estructuras
subcelulares se llaman organelos. Por otra parte, las bacterias son muy distintas. En
primer lugar, son más pequeñas, y en segundo lugar, ninguna de las estructuras que
mencionamos antes se encuentra en ellas. Las bacterias están rodeadas por una sola
membrana y en la mayoría de los casos están rodeadas, además, de una pared celular
rígida. Toda la información genética de estos organismos está contenida en unos 2 000 a
3 000 genes, información que es muy pequeña comparada con la contenida en la célula
de un animal superior. La cantidad de información genética en una célula eucarionte es
varios cientos de miles de veces mayor que la de una bacteria.
Ambos tipos de célula tienen procesos bioquímicos comunes, como, por ejemplo, los
mecanismos por medio de los cuales se transforma la información genética que contiene
el ADN en proteínas; sin embargo, algunos detalles sobre los mecanismos de estos
procesos son, o bien típicamente de los organismos superiores, o bien típicamente
bacterianos. Estas diferencias y similitudes dieron la pauta para que pareciera evidente
que el árbol de la vida tenía sólo dos ramas, la de las bacterias y la de los organismos
superiores. Recientemente se han acumulado una serie de evidencias que indican que la
relación evolutiva entre ambos reinos es más complicada de lo que se pensaba. Por
ejemplo, dos organelos subcelulares, como las mitocondrias y los cloroplastos, contienen
su propio ADN, aparte del que se encuentra en el núcleo. Ambos tipos de organelos
subcelulares son del tamaño de una bacteria y el aparato que contienen, destinado al
procesamiento de material genético, es muy similar al de las bacterias.
Estas evidencias, entre otras, han llevado a pensar que tanto las mitocondrias como los
cloroplastos descienden de los procariontes, y que quedaron atrapados dentro de una
célula donde se desarrollaron, según propone la teoría endosimbiótica de la evolución
(endo=interior, simbiosis=convivencia o relación). Esta teoría propone que la mitocondria
era una bacteria respiratoria y el cloroplasto una bacteria fotosintética. Esta conjetura,
que prevaleció durante más de cien años, fue comprobada para el caso de los cloroplastos
y se logró comparando las secuencias de bases de una molécula de ARN (ácido
ribonucleico), que resultaron estar íntimamente relacionadas con las de las bacterias
fotosintéticas. Esto implica que por lo menos dos líneas descendientes de las bacterias
están representadas en la célula de los organismos superiores.
Con estos antecedentes podemos regresar al tema de las arqueobacterias. Cabe aclarar
que hoy en día se conoce poco sobre las leyes biológicas que gobiernan a estos peculiares
microbios y que se trata de un campo en pleno desarrollo. El grupo de las arqueobacterias
incluye tres tipos de bacterias: metanogénicas, las que producen metano; halófilas
extremas, las que viven en medios salinos extremos, y termoacidófilas, las que subsisten
en ambientes calientes y ácidos. De los tres tipos las que predominan son las
metanogénicas.
En 1776 Alessandro Volta descubrió la existencia de lo que él llamó aire combustible, que
se forma en las aguas estancadas de riachuelos y lagos, que tienen gran cantidad de
sedimentos ricos en vegetación en proceso de descomposición. Sin embargo, el hecho de
que un microorganismo fuera el responsable de la producción de metano (el gas
combustible), se descubrió mucho más tarde. Las bacterias metanogénicas están
ampliamente distribuidas en la naturaleza en sitios carentes de oxígeno y por esta razón
es imposible encontrarlas a cielo abierto, ya que el oxígeno es altamente tóxico para estos
organismos.
Es posible que las bacterias metanogénicas existieran en casi cualquier sitio cuando la
Tierra era aún joven, ya que probablemente las condiciones atmosféricas eran más
adecuadas para ellas. Hoy sólo se encuentran en sitios donde el oxígeno está ausente, y
presente el hidrógeno y el bióxido de carbono (C02). También es frecuente encontrar a
estas bacterias asociadas a otras como las del género Clostridium, que metabolizan la
materia orgánica en descomposición y liberan al medio hidrógeno como producto de
desecho.
Otro tipo de arqueobacterias son las halófilas extremas, que requieren concentraciones
muy altas de sal para vivir. Su localización más común es en aguas que contienen
cantidades saturantes de cloruro de sodio (sal). Se encuentran más comúnmente a lo
largo de las costas y en aguas saturadas de sal como los grandes lagos salados o el Mar
Muerto.
Las halófilas extremas dan un color rojizo a la sal en los pozos de evaporación y son
capaces de descomponer el pescado salado. Estas bacterias han llamado la atención de
los microbiólogos básicamente por dos razones. La primera es que presentan mecanismos
para mantener diferencias enormes en la concentración de iones, como el sodio o el cloro,
entre el interior y el exterior de la célula, y utilizan estas diferencias de concentración
para el transporte de sustancias hacia el interior o el exterior de la célula. En segundo
lugar, estas bacterias tienen un sistema fotosintético relativamente simple, ya que no se
basa en la presencia de clorofila como en la molécula que capta la energía luminosa, sino
en un pigmento presente en su membrana, llamado bacteriorrodopsina, que es muy
similar a uno de los pigmentos que se encuentran en la retina del ojo. Dicho pigmento ha
sido muy estudiado y actualmente se conocen su estructura y su función con gran detalle,
lo que ha ayudado enormemente al avance del conocimiento de las proteínas
membranales y sobre todo de aquellas proteínas que transforman la luz en energía
química.
Por algún tiempo se pensó que estos microorganismos tan peculiares se habían adaptado
a nichos ecológicos distintos y extremos, pero hoy en día se sabe que integran un nuevo
grupo de microorganismos.
I V . L O S M I C R O B I O S A L S E R V I C I O D E L
H O M B R E
Los microbios útiles para el hombre constituyen solamente una proporción muy pequeña
de la amplia variedad de especies que existe en la naturaleza. El papel que desempeñan
algunos de ellos en la fabricación de la cerveza, el pan y el vino fue descubierto en forma
accidental hace mucho tiempo. Por ejemplo, la transformación que sufre el jugo de uva y
la masa para hacer el pan, hoy en día se sabe que se debe a las levaduras.
Microorganismos bien conocidos también lo son las bacterias que acidifican la leche o los
hongos microscópicos que le confieren su carácter tan particular a los quesos. A estos tres
grupos de microorganismos hay que agregar los actinomicetos, que son hongos
filamentosos que viven en la tierra y que se han utilizado para la producción de
antibióticos a partir del decenio de los años 40 del presente siglo.
Existe un buen número de microorganismos que está siendo utilizado en la industria. Esto
se debe a que producen un compuesto de alto valor que no puede ser obtenido de una
manera tan sencilla o tan económica por las técnicas químicas usuales. En algunos otros
casos, los microorganismos son cultivados por su valor intrínseco, como es el caso de la
levadura de panadería. Sin embargo, en la mayoría de los casos la sustancia buscada es
un producto de su metabolismo, como es el caso del alcohol o algún antibiótico, por
ejemplo.
Figura 17 (a) Los hongos y las levaduras son microorganismos que forman estructuras visibles y
en ocasiones muy coloridas. Varios de estos microorganismos producen sustancias de interés en la
industria, como la cerveza, el sake y hasta colorantes biológicos
Los microorganismos se pueden dividir en tres grupos dependiendo del ambiente que
necesitan para vivir. El primer grupo lo forman los organismos aeróbicos estrictos, que
son aquellos que no pueden tener actividad metabólica ni crecer más que en presencia de
oxígeno. El segundo grupo reúne a los organismos anaeróbicos estrictos, que llevan a
cabo su actividad metabólica y crecimiento en ausencia total de oxígeno atmosférico. El
tercer grupo está constituido por los organismos aeróbicos facultativos, los cuales
presentan actividad metabólica en presencia de oxígeno (respiración) y en ausencia de
oxígeno (fermentación) dependiendo del medio en el que se encuentren.
Los organismos anaeróbicos estrictos están representados por las bacterias del género
Clostridium, como Clostridium botulinum, fuente de la toxina productora de la enfermedad
conocida como botulismo. Otro ejemplo es la Salmonella tryphi, causante de muchas
infecciones intestinales en el ser humano.
Por otra parte, el crecimiento aeróbico que llevan a cabo algunos microorganismos es más
eficiente para la producción de biomasa (número de organismos obtenidos a partir de una
cantidad dada de nutrientes), ya que estos organismos degradan completamente las
moléculas nutritivas y les extraen el máximo de energía. Esto quiere decir que si la meta
de la producción industrial es mejorar los sistemas de obtención de grandes cantidades de
organismos, como es el caso de la levadura destinada a la panadería, es ventajoso
trabajar con el organismo en condiciones aeróbicas ya que de esta forma se utilizan los
sustratos al máximo por respiración y por lo tanto se obtendrán muchas más levaduras
por cantidad de nutrientes.
Otra clase de sustancias importantes para la industria son las enzimas. Hasta la fecha no
ha sido posible sintetizar una enzima en el laboratorio y su aislamiento puede ser un
trabajo largo y de bajo rendimiento. Por otra parte, los microorganismos dependen de las
enzimas para la degradación de las moléculas complejas. Las bacterias solamente
producen la cantidad necesaria de enzimas, de la misma forma que otros productos del
metabolismo. Sin embargo, por medio de las técnicas de ingeniería genética se pueden
seleccionar microorganismos mutantes que sobreproduzcan alguna enzima en particular.
Las levaduras fueron explotadas durante miles de años para la elaboración de bebidas
alcohólicas y de pan. Esto ocurrió antes de que se identificara a las levaduras como un
microorganismo y de que se conociera la verdadera naturaleza de la fermentación.
Antonie van Leeuwenhoek fue el primero en observar la presencia de las levaduras en la
fermentación de la cerveza. Casi 200 años después, en 1876, Louis Pasteur presentó sus
ideas sobre la fermentación en una obra clásica titulada Études sur la Bière ("Estudios
sobre la cerveza"), en la cual postula que los microorganismos que viven en condiciones
anaeróbicas son capaces de crecer y vivir sustituyendo al proceso de respiración por la
fermentación. Este proceso convierte azúcares en alcohol y bióxido de carbono, y provee
a las levaduras con la energía necesaria para su subsistencia. Este científico propuso
además que cuando se cultivan las levaduras en presencia de oxígeno, el proceso de
fermentación se detiene y es sustituido por la respiración o consumo de oxígeno, proceso
que sí degrada el azúcar hasta CO 2 y agua y no produce alcohol. La fermentación es muy
importante socialmente, ya que mediante ella se producen las bebidas alcohólicas que
han tenido un papel importante en la historia. El vino, por ejemplo, es el producto de la
fermentación del jugo fresco de frutas, de las cuales tal vez la más popular sea la uva,
aunque también se usa ocasionalmente la pera, el higo y algunos cereales. Estos jugos
son generalmente ácidos (tienen un pH de aproximadamente 5), lo cual es favorable para
que se lleve a cabo la llamada fermentación alcohólica. La "infección" del jugo ocurre
inmediatamente. Pasteur fue el primero en mostrar que hay levaduras en la cáscara de la
uva y sobre todo cuando está próxima a madurar. Dichas levaduras forman grandes
colonias en los puntos donde se lesiona la fruta y hay salida de jugo. Por otra parte, los
insectos son un factor muy importante en este proceso, ya que diseminan las levaduras
entre la fruta. Este hecho se conoció cuando Wortmann observó cómo un jugo estéril no
se fermentaba, y no fue hasta que una avispa lo tocó que el jugo empezó a fermentarse.
Figura 18. Las levaduras que son microorganismos con núcleo han sido aliados importantes para la
alimentación del hombre a lo largo de su historia.
Los azúcares más comúnmente utilizados por las levaduras durante su crecimiento son la
glucosa y la fructosa, que contienen 6 átomos de carbono. Sin embargo, existen otros
compuestos con mayor o menor número de átomos de carbono y que son de interés en
algunas industrias. Estos azúcares diferentes pueden a su vez ser metabolizados por
algunas levaduras. Por ejemplo, la levadura Candida utilis, la cual se emplea en la
industria alimentaria, puede crecer metabolizando azúcares de cinco átomos de carbono
(pentosas); esto permite que crezcan en un producto colateral de la industria del papel
que es precisamente un azúcar de cinco átomos de carbono. Otra levadura,
Saccharomycopsis lipolytica, puede romper cadenas lineales de hidrocarburos de 10 a 16
átomos de carbono; existe una instalación piloto que ha logrado hacer crecer esta
levadura con buenos resultados en presencia de una fracción purificada de petróleo, el
cual, como se sabe, es un hidrocarburo. Esta levadura, al crecer, produce ácido cítrico
como producto de desecho, el que a su vez es utilizado en otra serie de procesos
industriales. Asimismo, una variedad limitada de levaduras puede crecer en presencia de
metanol (un alcohol con un solo átomo de carbono), esto es posible ya que tales
levaduras llevan a cabo un proceso metabólico novedoso que involucra unos organelos
especializados llamados microcuerpos. Lo anterior se ha aprovechado, ya que el cultivo
utilizando metanol es muy barato y la producción de biomasa de las levaduras es tan
abundante que se utiliza como complemento para la alimentación de animales.
Otra levadura que ha sido útil desde tiempos remotos es la cepa denominada
Saccharomyces cerevisiae. Esta ha sido utilizada en la elaboración de vino, sake, cerveza
y, hoy en día, para la producción industrial de alcohol.
Una aplicación interesante es la que se le está dando a otra especie, Phaffia rhodozyma,
que produce un pigmento especial llamado astaxantina. Esta molécula está siendo
probada para añadirla en forma complementaria al alimento de las truchas y salmones de
criadero. Como estos peces pierden el color rosado que presenta su carne cuando crecen
en su hábitat natural, la astaxantina da a la carne de estos peces nuevamente su color
rosado.
Los hongos microscópicos tienen una gran importancia económica, tanto por sus
beneficios como por el daño que pueden causar. Una gran parte de la materia orgánica de
la tierra es destruida por los hongos. Esta actividad, por ejemplo, es benéfica, ya que
completa el reciclaje de la materia viviente. Los hongos pueden, sin embargo, causar un
gran número de enfermedades tanto en las plantas como en los animales: pueden, entre
otras cosas, envenenar la comida. Por ejemplo, el hongo Claviceps purpurea produce una
serie de sustancias venenosas (alcaloides) y parasita a las plantas que come el ganado.
Cuando el ganado consume alimento contaminado se producen abortos en las hembras,
enfermedad que se conoce como ergotismo. En el humano la toxina produce alucinaciones
y en ocasiones la muerte. Otro tipo de toxinas son las aflatoxinas, que se producen al
almacenar el heno o alimento a base de cacahuate en condiciones impropias; el hongo
llamado Aspergillus flaws las produce como metabolito secundario y son altamente
tóxicas.
Los efectos nocivos de los hongos microscópicos están balanceados por su multitud de
usos en la industria. Así se emplean en algunos procesos de fermentación, como por
ejemplo el almidón del arroz que es degradado para producir sake, un licor elaborado
principalmente en Japón; la fermentación combinada de frijol de soya, arroz y malta da
lugar a algunos alimentos orientales como el miso, el shoyu y el tempeh. Algunas enzimas
provenientes de ciertos hongos tienen usos comerciales importantes, como por ejemplo:
las amilasas (degradan almidón), las proteasas (degradan proteínas) y las pectinasas
(degradan pectina). Algunas especies de hongos producen agentes antibióticos, entre los
cuales destaca la penicilina. Esta sustancia marcó una época importante para la
humanidad, ya que permitió el control de las enfermedades infecciosas.
Figura 19. Bacillus brevis es un microbio muy útil, produce el antibiótico conocido como
gramicidina S, comúnmente utilizado en el tratamiento de numerosas enfermedades infecciosas
Figura 20. Los hongos también son productores de antibióticos. La foto muestra al hongo
Cephalosporium acremonium que produce la cefalosporina.
De gran importancia para la industria alimentaria son algunas levaduras y hongos. Existen
varios ejemplos, como la salsa de soya, la cual se obtiene utilizando a la levadura
Saccharomyces rouxii; la producción de cerveza utiliza la levadura Saccharomyces
carlsbergensis y algunos otros tipos de levaduras son utilizadas para la producción de
vino.
Figura 21. Una levadura en proceso de división, vista al microscopio de barrido de electrones.
L a m i c r o b i o l o g í a e n f o t o g r a f í a s
Figura 1. Antonie van Leeuwenhoek inventor del microscopio y el primer hombre
que observó los microorganismos
Figura 2. Lazzaro Spallanzani (1729-1799). Fisiólogo italiano, uno de los primeros investigadores
de la vida microscópica.
Figura 3. Louis Pasteur es el creador de la microbiología. Estudió las fermentaciones, las
enfermedades contagiosas, la asepsia y descubrió la vacuna contra la rabia
Figura 6. El moho reacciona así al ser sometido a una atmósfera de aire enrarecido.
Figura 7. El médico alemán Robert Koch descubrió el bacilo de la tuberculosis.
Figura 8. Ylia Metchnikoff, microbiólogo ruso que ganó el premio Nobel por su descubrimiento de
los fagocitos.
Figura 9. Cultivo de bacterias fotosintéticas. Estas bacterias se mantienen en condiciones
controladas de luz y temperatura y son capaces de reproducirse en grandes cantidades. En la
fotografía aparecen un cultivo líquido y un cultivo sólido, en donde se mantienen las capas, libres
de la contaminación de otros microorganismos.
Figura 12. Hoy en día la tecnología es una herramienta muy útil en el desarrollo de la
microbiología. Así, se han creado industrias dedicadas a apoyar la instrumentación necesaria para
el estudio de los microorganismos
Figura 13. Los avances se basan en las técnicas básicas que fueron desarrolladas por los pioneros
de la microbiología. Hoy en día se siguen aplicando sus conocimientos sobre la esterilidad de un
cultivo y cómo preservarla.
C O N T R A P O R T A D A
El eminente científico francés Louis Pasteur escribió que si los organismos más pequeños
y aparentemente menos útiles, esto es, los microorganismos, fueran suprimidos, la vida
se volvería imposible ya que el regreso a la atmósfera y al reino mineral de todo lo que
dejó de vivir —el proceso de biodegradación— sería bruscamente suprimido.
El doctor Georges Dreyfus se aboca en el presente libro al desarrollo de algunas áreas del
conocimiento de los microorganismos, destacando aquellos temas que interesan al lector
ajeno a la microbiología. Logra un trabajo cuya lectura es amena y fluida sobre un tema
en apariencia árido y de interés sólo para el especialista, provocando el interés por
conocer un mundo que es tan vasto como el Universo.
El camino recorrido por la microbiología es largo. Ya doscientos años antes de nuestra era
el romano Varro consideraba la posibilidad de que el contagio de ciertas enfermedades se
debía a "criaturas invisibles suspendidas en el aire" y, a lo largo de siglos, tal idea fue
considerada por diversos estudiosos. Sin embargo, el simple razonamiento sobre la
existencia de los microbios no probaba su existencia, la que sólo pudo ser demostrada
gracias al descubrimiento del microscopio, "el instrumento que abrió las puertas de otro
universo" y cuya invención se debe al holandés Antonie van Leeuwenhoek. Como es
frecuente, el descubrimiento de los microorganismos, aunque provocó interés, no cambió
los esquemas de pensamiento que favorecían entonces la teoría de la generación
espontánea, según la cual se podían crear animales a partir de una "fuerza vital", teoría
que fue finalmente aniquilada por Louis Pasteur.
En nuestro tiempo los microorganismos son tomados muy en serio, al grado que se ha
creado una ciencia encargada de su estudio. En principio, su adaptabilidad los ha hecho
sobrevivir en condiciones en extremo diferentes de las que prevalecen actualmente, las
que existían en la Tierra hace millones de año. Además, gran parte de los
microorganismos no es nociva para el hombre, al contrario, como se verá en este libro, es
prometedora para la industria y la conservación del medio ambiente.
Georges Dreyfus es Investigador Nacional e investigador titular del Departamento de
Bioenergética del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM. Hizo su maestría y doctorado
con los doctores René Drucker y Marietta Tuena. Realizó además su posdoctorado en
Grenoble, Francia. Se dedica ahora al estudio de la estructura de la ATP sintetasa y la
función de esta enzima en las mitocondrias y las bacterias fotosintéticas.