Microbiología TUE-2016

INTRODUCCION

A

LA MICROBIOLOGIA

La Microbiología es una rama de la Biología que estudia a los microorganismos , organismos microscópicos, con importancia básica y aplicada.

La palabra microbiología deriva de tres palabras griegas: Mikros: pequeños; Bios: vida; Logos: ciencia.

Los mayores grupos son Bacteria, algas, protozoos, helmintos (parasitosinvertebrados), y hongos. Los virus son parásitos celulares obligados

Celular Acelular

Procariotas Eucariotas Virus

Bacteria y archaea Hongos, algas,protistas, helmintos

Virus y bacteriofagos

Tipos de Microorganismos

(b) VirusTypes

Bacterial virus

AIDS virus

EnvelopeCapsid

Nucleicacid

(a) Cell Types

Prokaryotic

Chromosome

Ribosomes

Flagellum

Cellwall Cellmembrane

Eukaryotic

Flagellum

MitochondriaRibosomes

Cell membrane

Nucleus

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Importancia de los microorganismos

Los microorganismos son los primeros organismos que se encuentran en el registro fósil (supervivencia, adaptación y evolución)Llevan a cabo reacciones esenciales en el medio ambienteLos microorganismos se pueden utilizar en investigaciónEstán asociados a enfermedades infecciosas Los microorganismos son ubicuos (corteza terrestre, capas de hielo polares, órganos de plantas y animales, volcanes, fondo del mar…)

Microorganismos en el ambiente

• Fotosíntesis microbiana (CO2 --- luz �

materia orgánica) representan la mayor parte del oxígeno de la atmósfera de la Tierra

Anoxigénico Oxigénico (70% O2)

• Microorganismos son esenciales para la descomposición de organismos muertosen compuestos simples

• Muchos elementos biológicamenteimportantes (S, N, P) son ciclados por los microorganismos = reciclaje de nutrientes

– Producción de gas, (hidratos de carbono en ganados)

Evolución de los microorganismos

Proceso de evolución: la información hereditaria en los seres vivos cambia gradualmente a través del tiempo; estos cambios resultan en cambios estructurales y funcionales a través de muchas generaciones

Existen dos ideas preconcebidas: 1.- Todas las nuevas especies se originan a partir de especies preexistentes 2.- Los organismos estrechamente relacionados tienen características similares, es decir evolucionan a partir de un antepasado común

Línea del tiempo

Cinco Reinos (Whittaker 1969) Tres dominios (Carl Woese)

16SrRNA

Qué estudia la microbiología?

Ciencia básica:

proporciona y desarrolla herramientas para investigar los procesos fundamentales de la vida.Utilizando microorganismos se ha logrado obtener un conocimiento de las bases químicas y físicas de la vida (estudio de vías metabólicas, producción de energía)

- comparten muchas propiedades con células de microorganismos multicelulares.- pueden crecer en medios de cultivo de laboratorio con altas densidades de población (biomasa)

Qué estudia la microbiología?Como ciencia aplicada: trata muchos problemas prácticos importantes en la medicina, la agricultura y la industria. - Enfermedades: Hombre, plantas y animales- Fertilización de suelos (degradación de materia orgánica). Agricultura - Alimentos - Biocombustibles- Biotecnología: mejora procesos (tecnología DNA recombinante, cepas

modificadas)

- Ecología y biorremediación (suelo, agua, atmósfera) - Obtención de antimicrobianos, proteínas, enzimas, aditivos- Anticuerpos - Vacunas

Microorganismos en la industria

La industria alimentaria: fabricación de queso, yogur. Muchos artículos de panadería y muchas de las bebidas alcohólicas, se fabrican utilizando levaduras.

La industria farmacéutica: fabricación de antibióticos, obtención de vacunas, obtención de hormonas (la insulina, utilizando bacterias transformadas con el gen humano de la insulina-especie transgénica).

Producción de enzimas que son útiles en la industria alimentaria, textil.... Producción de conservantes (ácido glutámico-potenciador de sabores y aromas, aditivos (ácido cítrico); etanol (combustible): enzimas (proteasas-detergentes)

Biotecnología

La Biotecnología constituye uno de los campos más novedosos y prometedores de la Microbiología y contempla el uso de microorganismos en procesos industriales a gran escala.

- Ingeniería Genéticadesarrolla nuevos productos y organismosgenéticamente modificados (GMOs)

– Tecnología del DNA Recombinantepermite diseñar microorganismos para sintetizar hormonas (insulina, hormona del crecimiento), enzimas y fármacos

– Terapia génicareemplaza las partes faltantes de genes defectuosos en las células humanas a través de la ingeniería genética

Microorganismos en la conservación del medio ambiente

Son útiles en la lucha frente a la contaminación, de manera que se puedan obtener cepas que sean capaces de consumir diversas sustancias tóxicas como vertidos de petróleo, disolventes, etc., para descontaminar aguas subterráneas, suelos o mares.

Impacto en Salud Pública

Sub-Disciplinas de la Microbiología

Bacteriología : Estudio de procariotas

Micología : Estudio de hongos

Ficología : Estudio de algasProtozoología : Estudio de protozoos

Virología : Estudio de virus

Inmunología : Estudio del sistema inmune

Características de seres vivos

La célula es la unidad fundamental de la vida. Una célula aislada es una entidad aislada de otras por una membrana y algunas tienen pared celular exterior. Contiene estructuras químicas y componentes subcelulares

El pequeño tamaño que presentan, les permite:

– elaborar una gran cantidad de sustancias con mayor rapidez que en animales y vegetales.

– una mayor facilidad de intercambio de sustancias con el entorno, lo que se traduce en una elevada supervivencia.

– multiplicarse rápidamente

– son ubicuos: se encuentran en todos los ambientes. Dada su simplicidad, fácilmente puede adaptar su metabolismo a las condiciones ambientales, aunque éstas sean muy cambiantes.

– fáciles de manipular, por lo que son ideales para la investigación científica.

Importancia de ser pequeño

Una célula pequeña puedellevar a cabo el intercambio

de nutrientes mas ventajosamente

Los microorganismos y su medio ambiente

o En la naturaleza, las células microbianas viven en poblaciones en asociación con poblaciones de células de otras especies. Una población es un grupo de células derivadas de una sola célula parental por sucesivas divisiones celulares.

o El entorno inmediato en el que vive una población microbiana se llama Hábitat .

o La diversidad y abundancia de los microorganismos en las comunidades microbianas son controlados por los recursos (alimentos) y temperatura, pH, contenido de oxígeno prevalecen en su hábitat.

o Las poblaciones microbianas interactúan entre sí de manera beneficiosa, neutra o perjudicial. Por ejemplo, los productos metabólicos de desecho de un grupo de organismos pueden ser nutrientes o incluso venenos a otros grupos de organismos.

o Ecosistema : son todos los organismos vivos, junto con los componentes físicos y químicos de su entorno. Los principales ecosistemas microbianos son acuáticos (océanos, lagunas, lagos, arroyos, hielo, aguas termales), terrestre (superficie suelos, subsuelo profundo), y otros organismos, como las plantas y los animales.

Historia de la microbiología

Causa de las enfermedades

Ira de Dios ArrepentimientoMal aire Sol, altitud, sequedadVampiros Estaca en el corazón

Cómo se descubrieron los microorganismos

Perfeccionamiento de técnicas microscópicas

C. Weigert (1875): tinción de bacterias con anilina

R. Koch (1882): tinción de Mycobacterium (azul de metileno)

P. Ehrlich, F. Ziehl y F. Neelsen (1883): tinción AAR

C. Gram (1884): tinción de Gram

Polémica en torno al origen de los microorganismos

o Aristóteles (1668) Doctrina abiogénesis

o F. Redi (1668): origen biológico de los insectoso J. Needham (1745): origen espontáneo

o L. Spallanzani (1749): gérmenes o semillas en el aire

o L. Pasteur (1861): los microorganismos proceden del aire

o J. Tyndall (1877): refutado definitivo abiogénesis

Lazzaro Spallanzani

(Italia, 1729 - 1799)

Físico, biólogo, fisiólogo (reproducción, circulatorio), traductor, sacerdote,…..

si colocaba carne en caldo de cultivo y lo calentaba a 100 ºC en frasco cerrado, no se pudría (no ocurría crecimiento bacteriano)

Conclusión: no existe la generación espontánea

Sus detractores argumentaron que el aire (que él no dejaba pasar) era necesario para la generación espontánea…….y tenían razón en parte.…pero abrió las puertas a Pasteur

Louis Pasteur

Destruyó la teoría de la generación espontánea en 1864 (Experimentos con matraces "cuello de cisne”).• Propuso a los microorganismos como agentes causales de enfermedad .• Trabajó en la fermentación del vino. “ La fermentación asociada a la vida y la integridad de las células (levaduras) y no a la muerte o desaparición de la mismas”• Generó la vacuna para la rabia

Fin de la teoría de la generación espontánea

Experimentosde Louis Pasteur conmatraces cuello de cisne

Desarrollo de la técnica aséptica

o I. Semmelweis (1847): lavado de manos con hipoclorito de Ca

o J. Lister (1865): desinfección y técnica aséptica

Constituyeron pruebas indirectas de la importancia de los microorganismos en los procesos infecciosos

Teoría microbiana de las enfermedades infecciosas-Postulados de Koch

Definió los postulados sobre la identificación de microorganismos patógenos.Identificó a los microorganismos como agentes causales de enfermedadTrabajos sobre la etiología del carbunco (Bacillus anthracis)Métodos de estudio de bacterias en cultivos puros (cultivo en patatas; cada colonia era una población de células idénticas)

1843-1910

Cumplimiento de Koch en humanos?

Marshall + Helicobacter pylori

Ferdinand Cohn padre de la bacteriología

• Polaco, biólogo, sordo

• Algas unicelulares y luego con bacterias fotosintéticas que lo lleva a descubrir la bacteria filamentosa oxidante del azufre: Beggiatoa

• Fundó el primer Instituto de Fisiología vegetal del mundo• Descubrió la naturaleza y las principales propiedades de las esporas

bacterianas (Bacillus)y colaboró con el bacteriólogo y médico alemán Robert Koch

• Ideó método simple y efectivo para evitar la contaminación de los medios de cultivo esteriles (algodón)

• Aportó las bases para la clasificación de las bacterias según la morfología

Función de los microorganismos en la transformación de la materia

Materia orgánica

o T. Schwann (1837): levadura causa fermentación alcohólica

o L. Pasteur (1857-76): fermentaciones, aerobio, anaerobio

Materia inorgánicao S. Winogradsky (1889)

o M. Beijerinck (1888)

o Bacterias aerobias fijadoras de N2

o Bacterias reductoras de SO42- y oxidantes de S

Desarrollo de técnicas de cultivo puro y esterilización

o O. Brefeld (1875): cultivos puros de hongos

o J. Schroeter (1875): colonias aisladas de bacterias

o R. Koch (1881): siembra en estrías y cultivos en tubo inclinado

o W. Hesse (1883): agar como solidificante

o R. Petri (1887): placas de cultivoo L. Pasteur (1866): pasteurización

o J. Tyndall (1877): calentamiento discontinuo

o C. Chamberland (1879): autoclave

Antimicrobianos. Breve historia…

o 1495, sales de mercurio para tratar la sífilis.o 1630, descubrimiento de la quinina para tratar la malaria.o 1910, Ehrlich químico alemán desarrolló el concepto de toxicidad

selectiva y descubrió el uso de compuestos de arsénico (Salvarsan) para tratamiento de la sífilis.

o 1929, Alexander Fleming, biólogo escocés, descubrió la penicilina.o 1935, Gerhard Domagk demostró el valor de las sulfonamidas

(Prontosil).o 1940, Ernst Chain y Howard Flory demostraron el efecto de la

penicilina.o 1940-1970, búsqueda de nuevos antibióticoso Siglo XXI… nuevos desafíos

E. Chain H. FloreyA. Fleming

“El papel de lo infinitamente pequeño en la naturalezaes infinitamente grande”

L. Pasteur

Instrumentos utilizados para observar:

• Las células que componen los organismos no son visibles a simple vista, por lo que, para poder estudiarlas, es necesario emplear instrumentos que aumenten las imágenes.

Tipos de microscopios

Ópticos

Electrónicos

�Campo claro

�Campo Oscuro

�Contraste de fase

�Confocal

�Fluorescencia

�Transmisión

�Barrido

El microscopio óptico

• Está formado por un sistema de lentes y emplea para iluminar un haz de luz. Aumenta las imágenes hasta 1000 veces.

• Sus principales componentes son:

Oculares. Lentes a través de las que se observa la preparación ampliada.

Objetivos. Lentes que aumentan el tamaño de la imagen.

Platina. Sobre ella se coloca la preparación, que se sujeta con una pinza.

Tornillos de enfoque. Mueven la platina arriba o abajo para enfocar la imagen.

Iluminación. Espejo o lámpara que ilumina la preparación.

Objetivo de rastreo (4X) : Se observa el especímen completo. Se usa

para encontrar imagen.

Objetivo de baja potencia (10x): Se usa para enfocar la imagen

Objetivo de alta potencia (40x): Se usa para ver la imagen, con mayores detalles.

Objetivo de inmersión de aceite (100x): Se usa con aceite, el mismo se añade antes de cambiar de objetivo.

Resolución (D)Magnificación

Aumento que logra el equipo

Distancia mínima a la cualel equipo puede mostrar

dos puntos como entidades separadas

Máxima resolución MO: 0.2 µm

Imágenes obtenidas con el microscopio óptico

• Este tipo de microscopio permite observar células vivas y los movimientos que realizan manteniéndolas en su medio.

Protozoos• Permite observar tejidos en finos cortes y microorganismos pero en este caso hay que fijar las muestras, de manera que las células están muertas.

• Pueden teñirse con colorantes específicos que destaquen estructuras como el núcleo o la pared celular.

Neutrófilos

Helicobacter pylori

Microscopio de campo oscuro

Es un microscopio óptico en el que el sistema de iluminación incide sobre la muestra solo lateralmente.

La imagen proyecta estructuras brillantes e iluminadas (células y diversos microorganismos) sobre un fondo oscuro (negro). Se emplea para analizar células sin teñir, probablemente vivas dado que no es necesario procesarlas.

Treponema pallidum

Microscopio de contraste de fases

La imagen de las estructuras se observa en diferentes tonos de claro y oscuro, de acuerdo con las distintas densidades que posea la muestra; el fondo aparece poco iluminado y se logra una imagen contrastada. Las células y el medio poseen un índice de refracción (factor que retrasa la luz cuando atraviesa la muestra) distinto al del medio.Dispositivo especial: anillo de fases, situado en la lente del objetivoEs el microscopio más usado para observar células vivas; sin teñir permite observar procesos tales como la mitosis y otros de manera dinámica.

Observar organismos vivos sin necesidad

de tinción

Células HeLa (Henrietta Lacks)

Zygnema Filamentous Algae

Eritrocitos Humanos

Microscopio de fluorescenciaSe utiliza para visualizar muestras capaces de emitir fluorescencia, a una determinada longitud de onda cuando incide sobre ellas una longitud de onda menor.

La imagen de las zonas o puntos que quedan marcados con fluorescencia es de un color brillante. Por lo general, las estructuras aparecen poco iluminadas, lo cual permite que la marca fluorescente resalte y permita observarse con facilidad. Se emplea para detectar compuestos fluorescentes que se encuentren en tejidos. Su uso más difundido es con fines diagnósticos y de investigación.

• Microscopio de interferencia de NomarskyEste tipo de microscopio permite observar una imagen de relieve de las estructuras como su característica principal. Es un sistema poco empleado por su costo.

• Microscopio de interferencia de Jamin LebedeffLa principal característica de la imagen de este microscopio es que se observa en colores, aunque la muestra no se haya teñido. Se utiliza para el análisis de la composición y el peso celular, pero es de uso restringido.

Imagen tridimensional de las células

Emplea luz polarizada que pasa a través de un prism a que genera dos haces diferentes de luz, los que atravie san la muestra y entran en el objetivo.

Los dos rayos se combinan y por diferencias en el í ndice de refracción de las sustancias que atraviesa cada rayo (no estan en la misma fase) crean un efecto de interferencia

Microscopio confocalo La Microscopía Confocal permite observaciones a una

resolución mayor que la microscopía óptica convencional.

o Emplea un sistema láser que aplica el haz de luz en forma de barrido, en una pequeña parte del espécimen. El laser aplicado a una longitud de onda determinada en la muestra, hace que moléculas excitadas emitan fluorescencia a una longitud de onda mayor a la aplicada.

o La fluorescencia en una muestra puede ser debida a moléculas que se encuentran de forma natural (autofluorescencia-clorofila) o puede ser producida por moléculas aplicadas artificialmente a la muestra llamadas fluorocromos.

• Está formado también por un sistema de lentes complejo pero emplea para iluminar un haz de electrones en vez de luz. Aumenta las imágenes hasta un millón de veces.

• Sus principales componentes se encuentran en el interior del sistema y son:

Objetivos. Lentes que aumentan el tamaño de la imagen (internos).

Iluminación. Cañón de electrones que genera un haz que puede atravesar la muestra o rebotar en ella (interno).

Oculares. Lentes a través de las que se observa la preparación ampliada (externos).

El microscopio electrónico

Tipos de microscopio electrónico

o De transmisión: se trata del tipo original de microscopio electrónico. Un haz de electrones es dirigido hacia una muestra a través de un campo eléctrico creado por electroimanes. Algunos de esos electrones se difractan y son capaces de generar una imagen en la pantalla adecuada.

o De barrido: realiza sondeos en cada punto de una muestra bañada con oro u otros metales conductores, de modo que cuando el haz encuentre el obstáculo se disipará energía (en forma de calor, luz, interacciones en el propio haz, etc...) y esos cambios serán recogidos por un sensor. Es capaz de crear imágenes en 3D.

Bacilos en división Mitocondria 60.000x

Herpes virus ensamblándose en el núcleo

Bacteria fagocitada por un macrófago

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

• Este tipo de microscopio sólo permite observar células muertas, pero la ventaja es que permite estudiar las estructuras internas de los orgánulos celulares y por tanto de las células.

• En este caso las muestras deben ser muy finas para que puedan ser atravesadas por los electrones y también tienen que estar deshidratadas.

Estructura interna de una mitocondriaEstructura interna de una célula

Imágenes obtenidas con el microscopio electrónico

Bacterias sobre un estoma

Glóbulo RojoGlóbulo Blanco

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Glomérulo renal 1200x Espermatozoides bovinos

Bacterias sobre un estoma (plantas)

Muchas Gracias y bienvenidos a la Microbiología!!