IAI 330- Microbiología General Unidad 1: Introducción: conceptos e importancia de la microbiología. Historia y Taxonomía MVZ Estefanía Arízaga C Mg.Sc
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Contenido de la unidad 1 1.1. Definiciones, importancia y aplicaciones de la microbiología en agroindustrias y alimentos. 1.2. Historia de la microbiología (descubrimientos principales, investigadores y relación con otras ciencias)
1.3. Distribución de los microorganismos en el mundo de los seres vivos. 1.4. Generalidades de taxonomía microbiana
Introducción • La microbiología es una de las ciencias que estudia formas de vida: Micro: pequeños
Bios: vida
Logia: estudio de la ciencia
• Los microorganismos son los mayores habitantes del planeta. • Tiene un rol importante en todos los procesos y organismos vivos.
http://www.youtube.com/watch?v=ucgf-FCg39g
Definiciones Bacterias
Microorganismos: Organismos unicelulares microscópicos abundantes en tierra, agua, materia orgánica o en plantas y animales.
Parásitos
Hongos
Virus
Desarrollo de la microbiología • La microbiología ha evolucionado radicalmente en función del ritmo de vida actual. • Los avances médicos han reducido la mortalidad y morbilidad, incrementando la esperanza de vida y la necesidad de recursos para un solo ser humano. • Producto de esta necesidad, se asiste a una intensa explotación, basada en: la producción industrial, la extracción de recursos, la agricultura intensiva y la diminución de recursos no renovables. • Los productos sintéticos (desechables) afectan profundamente el ambiente y los ecosistemas.
Importancia y aplicaciones de la microbiología en agroindustrias y alimentos • Los microorganismos poseen funciones esenciales para la naturaleza, animales y humanos: 1. 2. 3. 4.
Transformación de la materia Equilibrio de ecosistemas Aplicaciones agroindustriales Intervención en ciclos de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre 5. Benéficos y dañinos para la salud: enfermedades y tratamiento de las mismas
Aplicación industrial Los microorganismos que se utilizan en la industria son conocidos como «productores»
En los procesos industriales, se contempla la producción de grandes volúmenes, por lo que se necesita contar con: • Equipos y utensilios adecuados: ejemplo grandes tanques donde se realiza el proceso de fermentación, los llamados fermentadores. •Nutrientes económicamente accesibles y de fácil obtención. •Condiciones apropiadas: estériles (prevención de contaminación cruzada) •Clones estables: que no muten. •Cepas estables: que no modifiquen su producción en condiciones industriales. •Eliminación de las cepas y de los subproductos de forma eficiente, económicamente accesible, fácil y rápida. En la actualidad, la industria invierte gran cantidad de recursos en la obtención de microorganismos productores estables. Estos se utilizan en la producción de alimentos, antibióticos, vacunas, vitaminas, hormonas...
Intervención de los microorganismos en procesos industriales: ejemplos Campo de aplicación
Producto obtenido
Microorganismos utilizado
Alimentaria
Pan, vino, cerveza, productos lácteos
Bacterias del acético y láctico
Farmacéutica
vacunas
Virus y bacterias previamente tratados causantes de las mismas enfermedades
Antibióticos
Penicilina G
Hongo Penicilium chysogenum
Cefalosporina
Hongo Cephalosporium
Estreptomicina, cloranfenicol, eritromicina y tetraciclina
Bacterias Streptomyces
Bacterias Gram + del suelo, del grupo Ascomycetes
Células de levadura de cerveza (S. cereviciae)
Algas como Spirulina sp
Industrias
Agropecuaria
Difteria, viruela, sarampión, poliomielitis, tosferina, tétanos, meningitis.
Nuevos fármacos
Moléculas bioactivas
Proteína microbiana para alimentos balanceados y concentrados
Proteína unicelular
Campo de aplicación Control de la contaminación
En el medio ambiente (Biotecnología ambiental)
Producto obtenido Eliminación de residuos humanos
Microorganismos utilizado Compuestos xenobióticos (plaguicidas, etc)
Bacterias Pseudomonas
Usan los residuos como fuentes de carbono
Basura
Compostaje
Tratamiento microbiano fermentativo que elimina muchos residuos de los botaderos
Aguas residuales
Depuración de aguas residuales
Tratamientos físico– químicos y microbianos
Hidrocarburos (derrames de petróleo)
Bacterias Pseudomonas y Niocardia
Producción microbiana de compuestos degradables
Bioplásticos
Bacteria Alcaligenes eutrophus
Insecticidas biológicos
Bioinsecticidas
Almacena sus reservas de C como PHA (polibeta- hidroxialcalinos o polihidroxialcalinos)
Bacteria Bacillus thurigiensis
Bioinsecticidas Bt: proteína producida por la bacteria
Microorganismos como contaminantes •
La industria alimenticia debe trabajar en condiciones asépticas para que no se desarrollen microorganismos contaminantes que pueden poner en peligro la salud del consumidor o pueden degradar el valor del producto alterando su color, olor o sabor, con lo que el proceso no sería rentable.
•
Para conseguir las mejores condiciones de producción se utilizan dos clases de métodos antimicrobianos, el método físico y el método químico.
1. Métodos físicos: temperatura y radiaciones 2. Métodos químicos: desinfectantes y antisépticos
R e t r o a l i m e n t a c i ó n
Trabajo escrito (opcional) • Presentar acorde a la rúbrica (vía www.turnitin.com y con copia
[email protected]), un trabajo escrito con el siguiente contenido: Historia de la microbiología- Aportes de ….(poner nombre de personaje histórico). Se asigna el personaje acorde al orden de lista de los alumnos • Este trabajo tiene una calificación extra en el puntaje final del ciclo. Es opcional.
Historia de la Microbiología • En los últimos 140 años, se ha podido iniciar el estudio de los microorganismos en laboratorio (invención del microscopio) https://www.youtube.com/watch?v=7RGlBQlEY2w
• Durante los últimos 60 años, se han conocido los procesos vitales de los microorganismos y por lo tanto se puede decir que se los conoce
Instrumental para estudio SIGLO XVII • ESTUDIO DE LOS MICROORGANISMOS CON MICROSCOPIOS MUY SIMPLES: Robert Hooke & Anton van Leeuwenhoek Descripción de espongiformes, moscas, hongos
Técnicas innovadoras • SIGLO XIX Trabajos de Ferdinand Cohn de clasificación de Eucariotes
Aprendiz: Robert Koch
Desarrollo de las técnicas microbiológicas: Robert Koch
Causas de enfermedades: Fue el primero que logró aislar un microorganismo causante de una enfermedad (Bacillus anthrasis)
Aportes de Koch Medios sólidos con geles: concepto de agar Métodos asépticos Mantenimiento de cultivos puros Bioseguridad
Postulados de Koch 1.
Cada organismo debe demostrarse como agente específico de cada enfermedad, no debe aislarse de individuos sanos diferencia con saprofitos
2. El microorganismo específico debe ser aislado del animal enfermo y se lo hace desarrollar en un cultivo puro, en un medio artificial de laboratorio cultivos en agar y caldo 3. Cuando el microorganismos es aislado, se lo inocula en un animal sano, no inmunizado previamente. Debe evidenciarse misma sintomatología en el animal. 4. El microorganismo debe aislarse en cultivo puros, desarrollados para probar la infección experimental.
Cajas Petri • Se utiliza para cultivo: bacterias, mohos y otros microorganismos, se cubre el fondo con distintos medios de cultivo según el microorganismo que se quiera cultivar.
• Creado por el bacteriólogo alemán Julius Richard Petri cuando trabajaba
como ayudante de Robert Koch, el premio Nobel descubridor del bacilo de la tuberculosis.
Louis Pasteur NO a la teoría de la generación espontánea de los microorganismos
Procesos de Fermentación del vino, causado por: LEVADURAS
Ignaz Semmelweis Diferenciación: Microorganismos causantes de una enfermedad y no solamente causantes de los síntomas (Koch) Desinfección de manos con Cloro en las salas de partos PROTOCOLOS DE ASEPSIA
John Brown Buist Cowpox virus (virus de la viruela de la vaca) Fue el primer científico que observó un virus.
Fenner F., 2009
www.fao.org
Virología 1884: Chamberland usó Filtros de porcelana (0.1 a 1µm) ayudaron a que se filtre las soluciones de bacterias y dejar solamente los virus que inducían las enfermedades. Demostró que no era la solución la que causaba la enfermedad sino un agente más pequeño que las bacterias.
“Fluido vivo contagioso” 1898 Beijerinck:
Concepto claro de Virus = Veneno en Latín
Aportes de Twort 1915 Bacteriófagos
virus que infectan bacterias
Mediados del Siglo 20: Microscopía electrónica: Permite ver los virus
Virus del Mosaico del Tabaco
Uso de las vacunas • Louis Pasteur: Uso de vacunas en la fiebre de los pollos
• 1976 Edward Jenner: Vacuna de viruela con la enfermedad de Viruela de la vaca
Louis Pasteur: Atenúa los microorganismos para poder vacunar con estos sueros
Beijerinck y Winogradsky Desarrollan los medios enriquecidos que es lo que permitirá en el futuro el paso de la microbiología a la Biología Molecular = se pueden cultivar in vitro a gran variedad de microorganismos Organismos no patógenos para los humanos
Antibióticos 1928: Penicilina Alexander Fleming Staphyllococcus aureus 1939: Howard Florey y Ernst Chain Desarrollo de otros antibióticos
Hallazgos de Microorganismos benéficos • Azotobacter Chroococum (fijación de nitrógeno) • Lactobacillus spp. • Algas verdes
Microorganismos del suelo • Sergei Winogradsky 1. Bacterias que contribuyen en el ciclo del nitrógeno y el azufre 2. Bacterias que oxidaban NH4 en NO3 Beggiatoa = bacteria autótrofa
Carl Woese Comienzo de la clasificación microbiana por su ARN (16S) gracias al desarrollo de técnicas de biología molecular (1977).
Microbiólogos ecuatorianos 1725 - 1786 P. Juan Bautista Aguirre Los microorganismos se desplazan en el aire y los alimentos y así ingresan al cuerpo humano.
Eugenio de Santa Cruz y Espejo 1747-1795 Libro : “Reflexiones sobre la viruela” Existencia de Microorganismos Leyes de Asepsia y antisepsia
Distribución de los microorganismos en el mundo de los seres vivos • Distribución de los microorganismos no aleatoria: posibilidades de supervivencia de cada especie dependen de su adaptación a las circunstancias de cada región, ambiente o clima. Factores de susceptibilidad:
1. Clima (iluminación, temperatura y Humedad) 2. Presencia o ausencia de sustrato: ciclos de energía 3. Actividades de control de microorganismos: limpieza /desinfección, biocontroladores, prácticas de mejoramiento productivo
Filogenética Carl Woese: • Estudio a nivel bioquímico de las especies para encontrar sus similitudes genealógicas. • Su objetivo: descubrir su filogenie o el origen de “la tribu” • Escogió una molécula que está presente en TODOS los organismos.
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Particularidades • Los virus no son asignados a ningún reino ya que ellos son microorganismos acelulares que comparten sólo unas pocas características de seres vivientes. • Las tres divisiones del árbol filogenético son: 1. 2. 3.
Bacteria (procariotas unicelulares cuya pared celular contiene peptidoglucano) Arquea (procariotas unicelulares cuya pared celular no contiene peptidoglucano) Eukarya (todos los eucariotas)
Niveles de organización de los seres vivos •
Al observar la materia viva se pueden distinguir varios grados de complejidad estructural, que son los denominados niveles de organización.
• Cada uno de ellos proporciona unas propiedades a la materia viva que no se encuentran en los niveles inferiores.
Niveles abióticos
Nivel molecular • • •
Se incluyen las moléculas, formadas por la agrupación de átomos (bioelementos). A las moléculas orgánicas se les denomina Biomoléculas o Principios inmediatos. Estos Principios Inmediatos los podemos agrupar en dos categorías: – inorgánicos (agua, sales minerales, iones, gases) – orgánicos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
Nivel celular • Célula: primera unidad de vida • Dos tipos de organizaciones celulares, Eucariota (células animales y vegetales) y Procariota (la bacteria). • Los organismos unicelulares (Ej. Protozoos) viven con perfecta autonomía en el medio, pero en ocasiones nos podemos encontrar agrupaciones de células, las colonias, que no podemos considerar como seres pluricelulares por que a pesar de estar formados por miles de células cada una vive como un ser independiente.
Nivel pluricelular •
Abarca a aquellos seres vivos que están constituidos por más de una célula. Se pueden distinguir varios grados de complejidad o subniveles. De menor a mayor complejidad son los siguientes:
•
Tejidos: son conjuntos de células especializadas muy parecidas, que realizan la misma función y que tienen un mismo origen.
•
Órganos: son las unidades estructurales y funcionales de los seres vivos superiores. Están constituidos por varios tejidos diferentes y realizan una acción concreta.
•
Sistemas: son conjuntos de órganos parecidos, pero que realizan acciones independientes. Por ejemplo, el sistema nervioso, el óseo, el muscular, o el endocrino.
•
Aparatos: son conjuntos de órganos que pueden ser muy diferentes entre sí, pero cuyos actos están coordinados para constituir lo que se llama una función.
Nivel individuo u organismo • Nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos,...
Nivel población
Nivel Comunidad
Ejemplo: las comunidades del desierto pueden consistir en conejos, coyotes, víboras, ratones, aves y plantas como los cactus.
Nivel Ecosistema • Un ecosistema es la unidad ecológica formada por el biotopo y la biocenosis que en él habita, por la que fluye la energía y circula materia • Un ecosistema es una unidad compuesta de organismos interdependientes que comparten el mismo hábitat y que se relacionan entre ellos en una cadena trófica
Nivel Biosfera
Relaciones entre los seres vivos •
Parasitismo relación en la que uno de los actores (el “parásito”) se alimenta o reproduce a costa de otro (el “hospedador”) o vive en el interior de su organismo. Son los responsables de la selección natural y evolucionan con sus anfitriones que intentan deshacerse de ellos mediante toxinas o a través del sistema inmunitario
•
Explotación Se habla de explotación cuando, en una interacción, una especie obtiene beneficio a costa de otra que no recibe nada a cambio.
•
Mutualismo Es un tipo de interacción en el que los individuos de las dos o más especies implicadas obtienen beneficio. Pueden darse en una etapa de la vida o permanentemente.
•
Simbiosis Consiste en la existencia de una relación permanente y muy estrecha entre individuos de distintas especies (“simbiontes”) que, en los casos más avanzados, llegan a fundirse en un organismo único. Suele ser favorable para las dos partes aunque en algunos casos existe un “ganador” y un “perdedor”.
•
Comensalismo Es un tipo de interacción beneficiosa para uno de los intervinientes pero indiferente para el otro. Puede adquirir diversas formas y en ocasiones es próximo a la explotación: aprovechamiento de los restos de comida abandonados por un depredador, fijación sobre otro animal para dejarse transportar o, incluso, utilización de los restos de un organismo muerto por parte de otro.
•
Inquilinismo Se produce cuando un organismo se instala para vivir en la madriguera o refugio de otro. En general, los inquilinos pertenecen a especies de pequeñas dimensiones y se benefician de esta interacción mientras que a los hospedadores les resulta indiferente.
•
Competencia Es un tipo de interacción que se produce entre taxones de requerimientos similares y que causa un esfuerzo, un enfrentamiento o un reparto de recursos perjudicial para todas las partes implicadas. Puede producirse entre individuos de una misma especie o entre especies distintas y puede adquirir formas muy diversas. Las relaciones de competencia afectan mucho a la estructura de las comunidades vivientes ya que son excluyentes.
Generalidades de taxonomía microbiana • La taxonomía, lo mismo que la Sistemática, se refiere a la clasificación o agrupamiento sistemático de los organismos en grupos o categorías llamados taxa. La taxonomía se divide en tres partes: 1. - Clasificación: El agrupamiento ordenado de unidades en grupos dentro de unidades mayores. 2. - Nomenclatura: La denominación de las unidades definidas y por la clasificación. 3. - Identificación: Haciendo uso del criterio establecido por la clasificación y nomenclatura mencionados, los microorganismos se identifican comparando las características de las unidades desconocidas y las conocidas.
Clasificación Hongos • • • • •
Morfología de las hifas Presencia o ausencia de septos Ramificaciones Tipo de esporas Características de las colonias
Variaciones en la reproducción sexual
Virus •
Dependiendo del tipo de célula que infectan, los virus se clasifican en:
a. Virus animales b. Virus de plantas c. Virus de bacterias o bacteriófagos Características primarias: 1.1 Organización de la cápsida a. Forma y tamaño de la partícula viral b. Número de capsómeros c. Presencia o ausencia de cubierta lipídica d. Simetría de la nucleocápsida 1.2 Estructura del ácido nucleico a. Tipo de ácido nucleico b. Número de cadenas c. Peso molecular del ácido nucleico d. Número aproximado de genes 1.3 Presencia de transcriptasa
Características secundarias 2.1 Huésped a. Especie b. Tejido 2.2 Modo de transmisión 2.3 Características inmunológicas Los virus no se nombran usando el esquema binomial clásico que se utiliza para los otros microorganismos, a los virus se les denomina con el nombre de la enfermedad que causan,
Bacterias
Identificación • Información obtenida por diferentes métodos. Permite clasificar a nuevos microorganismos e identificar a otros ya conocidos.
1. Claves dicotómicas serie de preguntas 2. Cladogramas mapas o diagramas (árbol filogenético)
Ejemplo de aplicación de clave dicotómica 1a. Planta con flores azules o violeta................ 2 1b. Planta con flores amarillas o blancas ......... 3 2a. Planta con flores azules ........ especie A 2b. Planta con flores violeta ........ especie B 3a. Planta con flores blancas........ especie C
3b. Planta con flores amarillas ..... especie D
Nombres científicos escritos en letra cursiva (Itálica)
Nomenclatura
Reglas y métodos del sistema de Nomenclatura Bacteriana se encuentran en el Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana.
• Se compone de dos componentes: Género Especie
Bacillus
subtilis
- Dentro del mismo género están individuos que tienen características muy similares. - Dentro de la misma especie están individuos que pueden reproducirse entre ellos y comparten características que son diferentes del resto. - Determinó que cada especie tiene un nombre único. - Cada especie tiene su propio nombre y no puede repetirse. 58
