IAI 330- Microbiología General

Unidad 1: Introducción: conceptos e

importancia de la microbiología.

Historia y Taxonomía

MVZ Estefanía Arízaga C Mg.Sc

l.arizaga@udlanet.ec

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

Microorganismos:

Organismos unicelulares microscópicos abundantes en tierra, agua, materia orgánica o en plantas y animales.

Bacterias

Virus Hongos Parásitos

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. Transformación de la materia

2. Equilibrio de ecosistemas

3. Aplicaciones agroindustriales

4. 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

Industrias

Alimentaria Pan, vino, cerveza, productos lácteos Bacterias del acético y láctico

Farmacéutica vacunas Difteria, viruela,

sarampión,

poliomielitis,

tosferina, tétanos,

meningitis.

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

Nuevos fármacos Moléculas

bioactivas

Agropecuaria Proteína

microbiana para

alimentos

balanceados y

concentrados

Proteína

unicelular

Células de

levadura de

cerveza (S.

cereviciae)

Algas como

Spirulina sp

Campo de aplicación Producto obtenido Microorganismos utilizado

En el medio

ambiente

(Biotecnología

ambiental)

Control de la

contaminación

Eliminación de

residuos humanos

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

Almacena sus reservas

de C como PHA (poli-

beta- hidroxialcalinos o

polihidroxialcalinos)

Insecticidas biológicos Bioinsecticidas 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

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ó

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Trabajo escrito (opcional)

• Presentar acorde a la rúbrica (vía www.turnitin.com y con copia l.arizaga@udlanet.ec), 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)

• 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

https://www.youtube.com/watch?v=7RGlBQlEY2w

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 Desarrollo de las técnicas microbiológicas: Robert Koch

Causas de enfermedades: Fue el primero que logró aislar un microorganismo causante de una enfermedad (Bacillus anthrasis)

Trabajos de Ferdinand Cohn

de clasificación de Eucariotes

Aprendiz: Robert Koch

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

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

Ignaz Semmelweis

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

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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.

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. Bacteria (procariotas unicelulares cuya pared celular contiene peptidoglucano)

2. Arquea (procariotas unicelulares cuya pared celular no contiene peptidoglucano)

3. 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 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 individuo u organismo

Nivel población

Nivel Comunidad

Ejemplo: las comunidades del desierto

pueden consistir en conejos, coyotes,

víboras, ratones, aves y plantas como los

cactus.

• 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 Ecosistema

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

• Morfología de las hifas

• Presencia o ausencia de septos

• Ramificaciones

• Tipo de esporas

• Características de las colonias

Hongos

Variaciones en la

reproducción sexual

• 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

Virus

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)

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

Ejemplo de aplicación de clave

dicotómica

Nomenclatura

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• Se compone de dos componentes:

Género

Especie

- 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.

Bacillus subtilis

Nombres científicos escritos

en letra cursiva (Itálica)

Reglas y métodos del sistema de

Nomenclatura Bacteriana se

encuentran en el Código

Internacional de Nomenclatura

Bacteriana.