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1 Escuela de Educación Secundaria Técnica N° 2 de Merlo “República de Venezuela” Técnico Químico Laboratorio de Análisis Microbiológico (teórico) 7° año. 2017 Docentes: Fernández, Marina Ordoñez, Patricia Santos, Miriam 2 Introducción La microbiología es el estudio de un gran grupo de organismos que existen como células individuales o agrupaciones de células. La diferencia entre la célula microbiana y la célula animal y vegetal es la capacidad de la primera, para vivir aislada. La mayoría de las células microbianas son capaces de llevar a cabo los procesos vitales de crecimiento, respiración y reproducción independientemente de otras células del mismo o diferente tipo. Existen algunas excepciones que se considerarán más adelante. Como sabemos una célula sola es una entidad aislada de otras células por una pared, o una membrana celular que contiene en su interior diversas estructuras subcelulares, algunas de las cuales aparecen en todas las células y otras no. En todas las células tenemos características químicas comunes, como tener: proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y polisacáridos. Después de millones de años de evolución se ha desarrollado la enorme diversidad de tipo de células que existen hoy. Varían enormemente en tamaño. Desde lo mas pequeño no visible aún con microscopio óptico (bacterias submicroscópicas) hasta el huevo de avestruz, la mayor célula conocida hasta el momento. Breve historia de la microbiología El holandés Antoni van Leeuwenhoek fue un constructor aficionado de microscopios. Y se tienen registros que fue la primera persona que vio con algún detalle microorganismos. Sus microscopios eran extremadamente simples (fig. 1) pero con gran habilidad en la manipulación y enfoque logró ver estructuras tan pequeñas como bacterias, “animálculos” como él los nombrara. Ver sus dibujos en figura 2. F-1 Reproducción de uno de los tipos de microscopios utilizados por Leeuwenhoek. La base era de una pieza de metal en la que se insertaba la lente en un pequeño orificio. El objeto a observar se insertaba en el pequeño trozo de metal puntiagudo unido al tornillo, que se desplazaba hacia atrás y adelante. 3 Figura 2 Dibujos de bacterias realizados por Leeuwenhouk. Publicados en 1684. Se pueden reconocer diversos tipos de bacterias comunes. A, C, F y G tienen formas de bacilos. La E tiene forma de coco. Las H son cocos en paquetes. Las observaciones de Antoni van Leeuwenhoek fueron confirmadas por otros investigadores. Y la Royal Society de Londres publicó sus cartas en 1684. El desarrollo de la microbiología comenzó mucho después ya en el siglo XIX con el desarrollo industrial, que permitió el advenimiento de mejores microscopios. (Ver figura 3 que muestra una levadura vista con distintos microscopios). . En esta época dos preguntas condujeron al desarrollo de esas técnicas. 1) ¿Existe la generación espontánea? 2) ¿Cuál es la naturaleza de las enfermedades contagiosas? Estas cuestiones fueron desarrolladas a la par e incluso a veces por las mismas personas. Al final del siglo ambas tenían respuestas y esto sentó las bases para la ciencia microbiológica como un campo diferenciado y en desarrollo. La generación espontánea: La idea de la generación espontánea básicamente significaría que la vida puede desarrollarse de material inerte. De las primeras observaciones a partir de alimentos que se abandonaban después de un tiempo y se pudría. Al examinar este material al microscopio, se podían observar una abundante cantidad de microorganismos. Algunas personas opinaban que éstos aparecían a partir de contaminantes que había en el aire y otras que lo hacían espontáneamente. 4 El químico francés Luis Pasteur fue quien a través de lo que hoy son sencillos experimentos concluyó con la controversia. Primeramente Pasteur mostró que en el aire estaban presentes estructuras muy similares a las que se hallaban en los alimentos en putrefacción. Haciendo pasar aire a través de filtros de algodón, cuyas fibras detienen las partículas sólidas. Luego disolvió el algodón con una mezcla de alcohol y éter recogiendo en el líquido las partículas y las observó al microscopio. Pasteur encontró que muchas de esas estructuras se parecen a las esporas de hongos comunes, quistes de protozoos y varias otras células microbianas. Muchos de estos cuerpos presentes en el aire eran los mismos que los encontrados en los alimentos en putrefacción y concluyó que estos cuerpos organizados existentes en el aire se depositaban en los alimentos y todos los objetos. Pasteur supuso que si su conclusión era correcta, cualquier alimento o infusión nutritiva que se lo tratara con algún medio que destruyera los microorganismos entonces no se pudriría. Como ya estaba demostrado que el calor destruía eficazmente los organismos vivos, de hecho otros investigadores habían experimentado calentando infusiones nutritivas en un matraz de vidrio cerrado y estas no se pudrían. Pero los defensores de la generación espontánea criticaban las conclusiones aduciendo que el aire dentro del 5 matraz debía ser natural, porque quizás el calentamiento al que había sido sometido, afectaba de alguna manera al desarrollo por generación espontánea. Pasteur nuevamente fue quien rechazó de plano la controversia con su experimento con el “matraz cuello de cisne” llamado actualmente matraz Pasteur. El científico colocó un líquido nutritivo dentro del matraz, luego estiró el cuello del mismo hasta lograr varias curvaturas. Hirvió el líquido varios minutos hasta que salió vapor libremente por el cuello del matraz. Dejó la punta abierta del cuello sin ninguna otra precaución y constató que mientras el cuello del matraz permaneciera íntegro el líquido no sufría ningún cambio. Figura 4 6 Con este diseño al enfriarse el matraz el aire puede volver a entrar, pero las curvatura del cuello impiden el ingreso de partículas, bacterias u otros microorganismos. Publicado por Pasteur en 1861 (ver fig.: 4) Los principios de las técnica aséptica desarrolladas por Pasteur son los primeros métodos que aprenden los microbiólogos novicios. La destrucción de los gérmenes mediante el calor es lo que actualmente reconocemos como esterilización. La ciencia y la industria de la alimentación tienen una gran deuda con Pasteur ya que sus principios se utilizan en la preservación de los alimentos permitiendo extender la vida útil de los mismos y facilitando la comercialización. Después del descubrimiento de los microorganismos se creía que los mismos podían ser causales de enfermedades contagiosas. Por supuesto que hubo muchos científicos que dedicaron su tiempo a estas investigaciones. Pero fue Robert Koch en 1876 quién estudiando el Carbunco también denominada Antrax, una enfermedad del ganado que también puede afectar al hombre, dio las bases necesarias para establecer la teoría microbiana de la enfermedad. Koch era médico y descubrió la bacteria que podía producir esporos denominada actualmente Bacillus anthracis. Él demostró que tomando la sangre de un animal infectado con la bacteria si se le inyectaba a un animal sano, éste tendría síntomas de la enfermedad en poco tiempo. Este proceso lo repitió veinte veces, probando que las bacterias provocaban el carbunco. Pero Koch fue más allá, encontró que la bacteria podía cultivarse fuera del animal en medios adecuados. Incluso descubrió que después de varias transferencias de un medio a otro si las volvía a inyectar en un animal, seguían provocando la enfermedad. Con estos experimentos y otros Koch formuló criterios conocidos en la actualidad como los postuladosde Koch (para probar que un tipo determinado de bacteria provoca una determinada enfermedad): 1. El organismo debe encontrarse siempre en animales que padecen la enfermedad y no debe estar presente en los individuos sanos. 2. El organismo debe cultivarse en cultivo puro fuera del cuerpo del animal. 3. Tal cultivo si se inocula en animales sanos debe iniciar los síntomas de la enfermedad. 4. El organismo debe poder ser aislado nuevamente de los animales experimentales y poder ser cultivado nuevamente en el laboratorio, después de lo cuál debe ser igual al original. Así hubo un gran impulso al estudio de la microbiología y al desarrollo de los cultivos de laboratorio. Koch supo que era de vital importancia para identificar con éxito un microorganismo causante de una enfermedad, obtener su cultivo puro. Es de tener en cuenta que aunque la muestra de material o de sangre sea muy diminuta puede contener un número muy alto de microorganismos. 7 Koch sabía de la importancia del cultivo puro e ideó varios métodos para obtenerlos. De los cuáles el más ingenioso y actualmente utilizado es aislar las colonias de microorganismos, en una superficie sólida nutritiva. Utilizó rodajas de papa y las expuso al aire y después las incubó. Al cabo de un determinado tiempo, se desarrollaron puntos perfectamente visibles al ojo humano con formas y colores característicos (colonias). Él infirió que cada colonia se había originado a partir de una sola célula bacteriana que había caído sobe la superficie, encontrando nutrientes adecuados y comenzando a multiplicarse. Debido a que la superficie sólida impedía desplazarse a las bacterias, todos los descendientes de la célula inicial habían permanecido juntos y, cuando llegaban a ser un número lo suficientemente grande, la masa de células se hacía visible a simple vista. Cuando las células de una colonia aislada se extendían sobre una nueva superficie, se desarrollaban muchas colonias, cada una tenía la misma forma y color que la original. Koch también supo que muchos microorganismos no podían crecer en una papa, así que ideó otros medios con un líquido nutritivo al cuál le agregó gelatina para poder solidificarlo. Ver figura 5. Posteriormente se vio que el agar-agar (procedentes de algas marinas) era mejor agente para solidificar los medios hasta la actualidad. Figura 5 El trabajo de koch fue continuado y permitió otros importantes descubrimientos en el campo de la microbiología. Sin embargo cabe aclarar que todas las enfermedades no son provocadas por microorganismos. Algunas son hereditarias o deficiencias en la dieta y otras influencias del ambiente. Debe considerarse que un microorganismo es un factor de la enfermedad. Puede ser una causa necesaria pero no suficiente. Para provocar una enfermedad el microorganismo debe afectar a un huésped sensible. Y esto puede depender de su salud, de su vigor, la presencia o ausencia de inmunidad. Porque la enfermedad infecciosa (provocada por microorganismos) no es una entidad determinada sino un proceso en el cuál interaccionan huésped y microbio. Tampoco hay que cometer el error de pensar que como los microorganismos provocan enfermedades, son todos “malos”. Todo lo contrario la mayoría son inocuos e incluso existen algunos beneficiosos. 8 El ambiente microbiano Los microorganismos son seres con la mayor potencialidad de todos los seres vivos. Están presentes en todos los lugares donde existen seres superiores y en los que no. Incluso son capaces de prosperar en las condiciones más adversas. Como son invisibles a nuestra vista, normalmente no percibimos su presencia. Pero están en el aire y la tierra incluso en los cuerpos de los organismos superiores que son ambientes muy propicios para su desarrollo. Pero cabe hacer notar que cada ambiente tiene su propia dotación de microorganismos (su propia flora microbiana) Continuamente están siendo creados nuevos ambientes para los microorganismos. Como consecuencia de procesos naturales o la propia acción del hombre. Como los microorganismos no son habitantes pasivos, afectan el medio en el que viven. Algunos causan enfermedades, otros pudren los alimentos, deterioran las viviendas, etc. Pero también desempeñan un papel beneficioso al degradar la materia orgánica muerta depurando el agua y la tierra y aportando nutrientes a los suelos para el desarrollo de vegetales, alimento de muchos animales. Existen microorganismo en el tracto intestinal de los animales, participando en la síntesis de vitaminas. Concluyendo, podemos decir que los efectos nocivos son muy inferiores a los beneficiosos. Estudio actual de los microorganismos Para poder adentrarnos en el estudio de los microbios debemos comprender la estructura de las células que los conforman. Los tipos de estructuras y su naturaleza química. Hay dos tipos de células: Célula procariota. Célula eucariota. La célula procariota Las bacterias son células procariotas. Tamaño La mayoría son pequeñas, pero existe una gran variación de tamaños entre ellas. Desde 0.2 hasta 2 micrones. Para efectuar su medición se requiere de un microscopio con una regla que se denomina “micrómetro ocular”. Consiste en una lente con una regla que se coloca en la lente ocular del microscopio y debe ser calibrado para cada microscopio y su lente objetivo. La lectura entonces es directa. 9 Forma La mayoría de las bacterias tienen formas más o menos constantes. Aunque la forma está influida por el ambiente. Si son esféricas se denominan cocos, si son cilíndricas se denominan bacilos. Cuando la forma cilíndrica es mucho mas larga que ancha se la denomina filamento. Algunas tienen forma espiralada y se las denomina helicoidales. Su forma afecta a su funcionamiento y estabilidad. Así, las formas cilíndricas son mucho más resistentes al calor. Los bacilos al tener más superficie expuesta por unidad de volumen toman más fácilmente los nutrientes del medio. Las formas espiraladas son generalmente móviles y se desplazan mejor que los bacilos algunos de ellos móviles. Disposición de las células Al dividirse las células pueden mantenerse unidas o no. En la mayor parte de los casos es característica la disposición celular del organismo individual. Pero puede estar influenciada por el entorno. La manera en que se agrupan está relacionada con la forma en que se divide. Los cocos forman cadenas cuando se dividen en un solo plano. La longitud de la cadena puede ser corta (dos a 4 células) o larga (mas de veinte). Otros cocos se dividen en dos planos en ángulo recto uno de otro formando láminas. Un tercer grupo de coco se divide en los tres planos y forman paquetes con estructura cúbica y forman racimos. Los bacilos siempre se dividen en un solo plano formando cadenas o no. Las formas espiraladas nunca forman cadena. Composición química Como en todo ser vivo la mayor parte de una célula es agua al menos un 75 %. Parte de la misma puede estar ligada. El agua permite a la célula contener disueltos el resto de los constituyentes orgánicos e inorgánicos y proporcionan el medio a través el cual se mueven. Contienen minerales. Los más importantes potasio, sodio, magnesio, calcio, hierro, zinc, molibdeno y cobalto. Por supuesto que contienen sustancias orgánicas que se conectan para constituir macromoléculas o polímeros. Cada uno está compuesto por un grupo definido de pequeñas molécula orgánicas llamadas monómeros que se combinan de un modo característico para cada tipo de célula. Estructura de la célula procariota: El microscopio electrónico nos ha permitido establecer la estructura de las células. Los componentes celulares pueden dividirse en dos grupos: A. Invariables: están presentes en todas las células. Son las membranas celulares,ribosomas y región nuclear. B. Variables: puede que alguna de ellas no estén contenidas en alguna células. Son pared celular, flagelos, vellosidades, cápsulas, capas mucosas, puntos de fijación, cuerpos de inclusión, vacuolas de gas y esporas. 10 Descripción de las diferentes estructuras Membranas celulares: Membrana plasmática También llamada membrana celular. Es una delgada estructura sumamente importante porque confina el contenido de la célula. Su destrucción provoca la muerte celular. Está compuesta por fosfolípidos y proteínas. Los fosfolípidos forman la estructura básica de la membrana y se dispersan en el agua de tal manera que sus grupos hidrófobos se asocian por un lado y los hidrófilos (iónicos) por otro formando una membrana biestratificada. Las proteínas principales son hidrófobas y quedan embebidas en la matriz fosfolípida. Las moléculas de agua se disponen en una forma más o menos ordenada alrededor de la parte externa de la membrana. Funciona como barrera de penetración para los materiales en general y como agente selectivo permitiendo el transporte selectivo o la toma de materiales. Además desempeña un papel clave en la respiración ya que las enzimas asociadas a este proceso son parte de la membrana. Membrana internas Muchas células procariotas tienen estas membranas internas que pueden ser invaginaciones de la membrana celular o poseen una estructura especial denominada mesosoma, con otras funciones particulares como las bacterias nitrificantes. Pared celular Le confiere rigidez y forma a la célula. Químicamente es diferente a la de la célula Eucariota. Es característica distintiva entre ambos tipos de microorganismos. Es difícil de observar al microscopio óptico, pero sí puede verse claramente con el electrónico. La pared celular está formada por una capa llamada glucopéptido, también llamada mureína. Es una hoja delgada formada por dos derivados de azúcares, la N- acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico, además de un grupo de aminoácidos. Estos constituyentes están conectados formando una estructura repetitiva. La pared celular es esencial para conservar la integridad de la célula. La mayoría de los ambientes bacterianos tienen concentraciones de soluto muy inferiores al interior de la célula. Puesto que el agua pasa de las regiones de baja a la de alta concentración (por ósmosis), si no fuera por la rigidez de la membrana celular se hincharía y estallaría. Proceso denominado lisis. A los efectos del estudio de la célula bacteriana se puede quitar la pared celular sin provocar lisis. Se utiliza una enzima como la lisozima. Se añade al medio una concentración de un soluto no permeable como la sacarosa. Se equilibran los medios (el interior y exterior de la célula) la lisozima destruye la pared celular quedando todos los componentes celulares intactos a los que se los denomina protoplastos. Durante esta operación pueden formarse cuerpos esféricos en los que solo se ha eliminado parte de la pared celular, son osmóticamente sensibles y se los denomina esferoplastos. Existe una característica diferencial entre las bacterias, basada en una tinción diferencial. Esta se debe al bacteriólogo danés Cristian Gram. En la reacción de Gram se forma un complejo insoluble de cristal violeta – iodo en el interior de la célula. Este complejo es extraído de algunas bacterias con una 11 mezcla de alcohol–cetona y se clasifican como Gramnegativas, pero no de las Grampositivas. Las bacterias grampositivas tienen paredes celulares compuesta por una única capa, muy gruesa que se deshidrata por acción del alcohol. Esto hace que se ciérren los poros impidiendo que se escape el complejo de color cristal violeta – iodo. La pared celular de las gramnegativas es una estructura pluriestratificada y muy compleja. Cabe aclarar que se utiliza un colorante de contraste para las gramnegativas que es la safranina para su observación al microscopio. No obstante la reacción de Gram no está relacionada con la composición de la pared celular sino a la estructura física de la pared. Prueba de ello son las levaduras que tienen una composición química muy diferente de las bacterias, tienen una pared celular gruesa y se tiñen como grampositivas. Ribosomas Son cuerpos que contienen ácido ribonucleico ARN y son parte de la maquinaria necesaria para la síntesis de proteínas. Están compuestos por un 60 % de ARN y 40 % de proteínas. La conexión entre partículas ribosómicas es el polirribosoma que contiene la información para el sistema sintetizador de las proteínas. Es una larga molécula y se denomina ARN mensajero. Región nuclear: el ADN Los organismos procariotas no tienen un núcleo delimitado por una membrana. Al microscopio electrónico se pueden observar áreas con un delgado material fibrilar que es el ADN y es su información genética. Cada molécula de ADN está compuesta por dos cadenas complementarias. Tiene forma circular. La división celular resulta en dos células idénticas. En la división celular, todos los constituyentes de la célula deben duplicarse y repartirse ordenadamente entre las dos células hijas. Flagelos y motilidad. Muchas bacterias tienen flagelos que son orgánulos de movilidad. Son apéndices largos y delgados compuestos por una proteína denominada flagelina. Se disponen de modo diferente pueden estar en un extremo (polar) o en toda la superficie de la célula (peritricia) .Tienen forma helicoidal. Existen algunas bacterias que no tienen flagelos pero son móviles. Tienen la denominada “motilidad deslizante”. Solo pueden desplazarse cuando están en contacto con una superficie. Cuando se observan bacterias móviles al microscopio, es importante distinguir entre el movimiento vital y el browniano. El movimiento vital es dirigido, en cambio el browniano es al azar provocado por el propio movimiento de las moléculas de agua. Pelos Son estructuras análogas a los flagelos pero no otorgan motilidad a la célula. Pueden incluso ser químicamente semejantes, pero son mas cortos. Pueden tener funciones como adherencia, sexuales o formar películas y espuma sobre la superficie de líquidos. Cápsulas, mucus y sustancias adhesivas Algunas bacterias y cianofíceas segregan un sustancia mucosa o gomosa. Si el material está dispuesto en forma compacta alrededor de la célula se denomina 12 cápsula. Si forma una capa delgada se denomina capa mucosa. En algunos organismos se produce un mucus adhesivo en solo una parte localizada. Tienen la función de protección y adherencia. Inclusiones y sustancias de reserva La naturaleza de las inclusiones es diferente en los distintos organismos. Pero generalmente cumplen la función de material de reserva de energía. Tal como almidón, glucógeno, lípidos, etc. Vacuolas gaseosas Confieren a las células capacidad de flotar. Son estructuras fusiformes, huecas pero rígidas. Con una longitud variable pero diámetro constante. El ejemplo por excelencia son las cianofíceas. Endóspora bacteriana Un descubrimiento microbiológico de los más importantes fue el de la espora bacteriana. Esta forma muy resistente al calor, fue esencial para el desarrollo de los métodos de esterilización. Tanto para el campo de la investigación científica como para la alimentación y otros. Aunque muchos microorganismos son capaces de formar esporas, la endóspora bacteriana, como se denomina, es única en su grado de resistencia al calor. Se forma dentro de la bacteria. Su estructura es mucho más compleja que la forma vegetativa. En ciertas condiciones la célula, en lugar de dividirse, sufre la compleja serie de transformaciones que conducen a la formación de la espora. Una espora es capaz de permanecer en estado de latencia por años, pero puede convertirse en una nuevacélula vegetativa en minutos. Un agente ambiental como el calor puede conducir a este estado. Entonces la espora germina para dar paso a una nueva forma vegetativa. Los procesos por los cuales una espora germina son complejos, pero son de gran importancia práctica dado que las bacterias que forman esporas causan enfermedades al hombre. La esterilización por calor es más difícil en alimentos y medicamentos cuando está presente la endóspora. Pero los procedimientos están bien estudiados para la destrucción última de la misma. La Célula eucariota Son mucho más complejas que las procariotas. Son las células de todos los organismos superiores, tanto las plantas, como los animales. Dentro de los microorganismos, los hongos, protozoos y algas (a excepción de las azul-verdosas o cianofíceas) Hay una enorme diversidad de tipo y de funciones, pero todas tienen en común que sus funciones se localizan en orgánulos. Tamaño y forma La variación de tamaño es mucho mayor que en la célula procariota. Algunas son tan pequeñas como las más grandes de las células procariotas mientras que otras son muchas veces mayores. Tienen formas regulares y a veces muy complejas. Como por ejemplo las células de las algas. 13 Pared celular La mayoría de las células de los hongos, algas y plantas tienen pared celular y son mucho más gruesas que las de las células procariotas. La mayoría de los protozoos no tienen pared celular. Pero tienen algún tipo de capa superficial que les aporta rigidez. Sistema de membranas Membrana plasmática es similar en la estructura a la de la célula procariota. Tienen algunas diferencias en su composición como ejemplo la presencia de esteróles en los eucariotas y su ausencia en los procariotas. Sistemas membranosos internos es una extensa dotación de membranas denominadas retículo endoplasmático. Proporciona una serie de canales de comunicación. Aparato de Golgi Es un agregado de membranas que interfiere en la síntesis de la pared celular. En las células animales es el encargado de empaquetar materiales para exportar al exterior. Orgánulos membranosos simples La célula eucariota produce una serie de cuerpos encerrados en una membrana y especializados en ciertas funciones, denominados orgánulos. De los cuáles vamos a describir: Vacuolas Son cuerpos de baja densidad rodeados por una membrana. Contienen soluciones concentradas de sales, aminoácidos, azúcares y otros constituyentes. Se reconocen dos tipos: vacuolas digestivas relacionadas con la digestión de los alimentos y vacuolas contráctiles que contribuyen a la regulación osmótica y a la excreción de los productos de desecho. Lisosomas Son cuerpos rodeados por una membrana en los que se localizan enzimas digestivas que destruyen las partículas extrañas. Mitocondrios Son estructuras membranosas especiales y en ellos están localizadas las funciones de los procesos de respiración y fosforilación oxidativa. Pueden tener muchas formas pero lo mas corriente es que tengan estructuras bacilares. Tienen un cierto grado de autonomía dentro de la célula. Contienen ribosomas y ADN y otros componentes de la máquina sintetizadora de proteína. Cloroplastos Son orgánulos verdes con clorofila. Se encuentran en todos los organismos capaces de realizar fotosíntesis. Cada cloroplasto contiene una membrana externa dentro de la cuál se encuentran una gran cantidad de membranas internas con la que está asociada la clorofila. Al igual que los mitocondrios tienen un cierto grado de autonomía. 14 Movimiento Casi todos los protozoos, la mayoría de las algas y muchos hongos manifiestan actividad mecánica o movimiento de algún tipo. Se distinguen dos sistemas básicos: la corriente citoplasmática, que es el movimiento del citoplasma en las células estacionarias, y la motilidad, por la cual la célula se desplaza a sí misma a través del espacio. Muchas células eucariotas se desplazan por orgánulos especiales de movimiento, los flagelos y cilios. Flagelos: Son largas estructuras filamentosas unidas a un extremo de la célula, que se mueven a modo de látigo. Pueden tener uno o más. El número y la disposición de los flagelos son características importantes para la clasificación de diversos grupos de algas, hongos y protozoos. Tienen una estructura muy distinta de la de los flagelos de la célula procariota, aunque se utilice el mismo término. Cilios: son similares a los flagelos pero más cortos y abundantes. Se encuentran en un grupo de protozoos denominados ciliados. Funcionan como remos. Los organismos ciliados son más rápidos que los flagelados. Corriente citoplasmática y movimiento ameboide: Se puede observar el comportamiento de diferentes partículas como cloroplastos y mitocondrios; se trasladan en masa de manera determinada por el movimiento del citoplasma. En las células sin pared las corrientes citoplasmáticas pueden producir un movimiento amebiode, característico de las amebas. Este movimiento requiere una superficie sólida. Núcleo y división celular Distintivo de los eucariótas es que su material genético está organizado en cromosomas, situados en una estructura rodeada por membranas (el núcleo). El tamaño de núcleo es muy diferente y normalmente y proporcional al tamaño total de la célula. Ciclo de división celular: Es un proceso muy ordenado que consta de las siguientes etapas: 1) síntesis del ADN, que conduce a la duplicación del material genético de la célula. 2) división nuclear, por un proceso llamado mitosis (organismos asexuados) o meiosis (sexuados). 3) división celular, que implica la formación de una membrana celular separando las dos partes de la célula dividida. 4) separación celular. 15 Los virus Son elementos genéticos que pueden replicarse independientemente de los cromosomas de una célula, pero no independientemente de dicha célula. A fin de multiplicarse, entran en una célula (célula HOSPEDADORA). Sin la célula en que replicarse, no podrían existir. Tienen una forma infecciosa madura que es extracelular. Están entre los más numerosos “microorganismos” e infectan todo tipo de organismos celulares. Estado extracelular: un virus es una partícula minúscula que contiene ácido nucleico rodeada por proteínas. Llamada partícula vírica o virión. Es metabólicamente inerte y carece de funciones respiratorias y biosintéticas. El virión es la estructura mediante la cual el genoma del virus se transporta de una célula a otra. Estado intracelular: (dentro de una célula) es cuando tiene lugar la replicación del virus. Se producen nuevas copias del genoma del virus y se sintetizan los componentes de la cubierta. Se denomina INFECCIÓN al proceso en el que el genoma se introduce en una célula hospedadora y se reproduce. Los virus dependen de los componentes estructurales y metabólicos de las células hospedadoras. Reconducen las funciones metabólicas y la maquinaria del hospedador al servicio de su propia replicación y al ensamblaje de los nuevos viriones. Genomas víricos: las células tienen DNA como material genético, los virus tienen DNA o RNA y pueden ser de cadena sencilla o doble. Se dividen en dos tipos según tengan uno u otro ácido. Un tercer tipo tiene ambos como material genético pero en distintos estadios de su ciclo reproductivo. Por ej los Retrovirus contienen un genoma de RNA en el virión, pero se replican a través de un intermediario de DNA. El virus de la Hepatitis B contiene DNA en el virión, y RNA como intermediario en la replicación. Estas clases pueden subdividirse según si el ácido nucleico del virión es de cadena sencilla o doble. Los virus pueden clasificarse también en función del hospedador que puedan infectar: 16 Virus de animales:virus animales (viruela, varicela, sarampión, rabia, poliomelitis, infecciones gripales) Virus de plantas: virus vegetales (virus del tabaco) Virus de bacterias: bacteriófagos Tamaño: de 0,02 a 0,3 µm (micrómetros). La unidad para medirlos es el nanómetro (nm), 1 µm= 1.000nm. Por ej el virus de la viruela mide 200 nm. Estructuras: Son diversas. Varían en tamaño y forma. El ácido nucleico está localizado siempre dentro de la partícula, rodeado de una cubierta proteica (CÁPSIDE). Esta cubierta proteica está formada por un número determinado de moléculas de proteínas (subunidades estructurales) que siguen un modelo preciso y repetitivo alrededor del ácido nucleico. Al ácido nucleico rodeado de la cápside se denomina nucleocápsido y puede presentarse desnudo o rodeado de una membrana. Nucleocápsidos desnudos: virus del mosaico del tabaco, virus de las verrugas, adenovirus. Nucleocápsidos rodeados por membranas: el virus de la gripe y el del herpes. Algunos viriones poseen enzimas (lisozima) que permiten hacer un pequeño agujero en la pared celular bacteriana. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- METABOLISMO Todos los organismos necesitan energía para poder realizar sus PROCESOS METABÓLICOS. Si esto no ocurriera, no podría existir la vida como la conocemos. Es por ello que existen los procesos metabólicos que se pueden dividir en ANABÓLICOS y CATABÓLICOS. El proceso de síntesis se conoce como anabolismo. Un ejemplo es la síntesis de fosfolípidos para crear la pared celular. Los procesos anabólicos requieren energía para poder realizarse. Es decir que consumen energía o ATP (adenosin trifosfato). Los procesos de degradación se conocen como catabólicos. Los compuestos orgánicos y gran parte de los sintéticos pueden ser desdoblados por uno o varios microorganismos. La energía obtenida por oxidación se conserva en la célula como ATP. Estos procesos liberan energía que finalmente produciría moléculas de ATP para usar en reacciones anabólicas. La célula puede obtener energía de tres diferentes formas: a través de compuestos orgánicos, inorgánicos o a partir de la luz y estos procesos a su vez pueden ocurrir en anaerobiosis o aerobiosis. AERÓBICOS o AEROBIOS son los organismos que pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno diatómico. Los que solo consumen O2 se denominan AEROBIOS ESTRICTOS. El adjetivo "aerobio" se aplica no sólo a organismos sino también a los procesos implicados ("metabolismo aerobio") y a los ambientes donde se realizan. Un "ambiente aerobio" es aquel rico en oxígeno, a diferencia de http://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivo http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno_diat%C3%B3mico http://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivo 17 uno anaerobio, donde el oxígeno está ausente, o uno microaerofílico, donde el oxígeno se encuentra a muy baja concentración. El metabolismo aerobio surgió en la evolución después de que la fotosíntesis oxigénica, la forma más común de fotosíntesis, liberó a la atmósfera oxígeno, el cual había sido muy escaso hasta entonces. Inicialmente representó una forma de contrarrestar la toxicidad del oxígeno, más que una manera de aprovecharlo. El antepasado común de los organismos eucariontes (con células nucleadas) adquirió la capacidad de realizar el metabolismo aerobio integrando a una bacteria aerobia como orgánulo permanente, la mitocondria (teoría de la endosimbiosis). La AEROBIOSIS, es un proceso conocido como respiración celular, usa el oxígeno para oxidación del sustrato (por ejemplo azúcares y grasas para obtener energía). Un buen ejemplo podría ser la oxidación de la glucosa (un monosacárido) en la respiración aeróbica. C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP ANAEROBIOS o ANAERÓBICOS son los organismos que no utilizan oxígeno (O2) en su metabolismo, más exactamente que el aceptor final de electrones es otra sustancia diferente del oxígeno. Si el aceptor de electrones es una molécula orgánica (piruvato, acetaldehido, etc.) se trata de metabolismo fermentativo; si el aceptor final es una molécula inorgánica distinta del oxígeno (sulfato, carbonato, etc.) se trata de respiración anaeróbica. El concepto se opone al de organismo aerobio, en cuyo metabolismo se usa el oxígeno como aceptor final de electrones. Aquellos organismos que no pueden vivir o desarrollarse con la presencia de oxígeno se denominan ANAEROBIOS ESTRICTOS. Algunos microorganismos aeróbicos, que pueden desarrollarse en ausencia de oxígeno, por medio de la fermentación se denominan ANAEROBIOS FACULTATIVOS. Un ejemplo de fermentación podría ser la fermentación realizada por levaduras a partir de la glucosa. Este proceso es ampliamente utilizado en la industria alimenticia para obtener bebidas alcohólicas y panes, entre otras cosas. C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP QUIMIOORGANÓTROFOS son aquellos que tanto en forma aeróbica como anaeróbica obtienen su energía de compuestos orgánicos. La mayoría de los microorganismos que se han llegado a cultivar entran en esta clasificación. También hay microorganismos FOTOTRÓFICOS que poseen pigmentos que le permiten captar energía a través de la luz. Los organismos fotoautótrofos utilizan la fotosíntesis. Y los mayores exponentes son las plantas. Los microorganismos que pueden captar energía utilizando compuestos inorgánicos se conocen como QUIMIOLITOTRÓFICOS. Este tipo de metabolismo energético se encuentra solo en procariotas. http://es.wikipedia.org/wiki/Anaerobio http://es.wikipedia.org/wiki/Microaerof%C3%ADlico http://es.wikipedia.org/wiki/Evoluci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis_oxig%C3%A9nica http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis_oxig%C3%A9nica http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis http://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera http://es.wikipedia.org/wiki/Eucarionte http://es.wikipedia.org/wiki/Bacteria http://es.wikipedia.org/wiki/Org%C3%A1nulo http://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondria http://es.wikipedia.org/wiki/Endosimbiosis http://es.wikipedia.org/wiki/Respiraci%C3%B3n_celular http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Az%C3%BAcares http://es.wikipedia.org/wiki/Grasa http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa http://es.wikipedia.org/wiki/Glucosa http://es.wikipedia.org/wiki/Monosac%C3%A1rido http://es.wikipedia.org/wiki/Respiraci%C3%B3n_aer%C3%B3bica http://es.wikipedia.org/wiki/Adenosina_trifosfato http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno http://es.wikipedia.org/wiki/Metabolismo http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Piruvato http://es.wikipedia.org/wiki/Acetaldehido http://es.wikipedia.org/wiki/Metabolismo_fermentativo http://es.wikipedia.org/wiki/Sulfato http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonato http://es.wikipedia.org/wiki/Respiraci%C3%B3n_anaer%C3%B3bica http://es.wikipedia.org/wiki/Organismo_aerobio http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Adenos%C3%ADn_difosfato http://es.wikipedia.org/wiki/Adenos%C3%ADn_trifosfato 18 Las células pueden ser HETEROTRÓFICAS (hetero= otro, trofos=alimentación) si requieren uno o más compuesto orgánicos y AUTOTRÓFICAS (auto= por si mismo, trofos=alimentación) si sintetizan materia orgánica del CO2. Por ello, los autótrofos son también conocidos como PRODUCTORES PRIMARIOS. En este grupo encontramos los fototróficos y los quimiolitotroficos. Cuadro de opciones metabólicas para la obtención de energía TÉCNICAS Y APLICACIONES Los productos de la fermentación: levaduras La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras y algunas clases de bacterias. Estos microorganismos transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono.La fermentación alcohólica, comienza después de que la glucosa entra en la celula. La glucosa se degrada en un ácido pirúvico. Este ácido pirúvico se convierte luego en CO2 y etanol. Los seres humanos han aprovechado este proceso para hacer pan, cerveza, y vino. En estos tres productos se emplea el mismo microorganismo que es: la levadura común o SACCHAROMYCES CEREVISAE. Fermentación de bebidas alcohólicas El vino es solo un producto de los que se forman con las levaduras. Otros son la cerveza, bebidas destiladas como el brandy, whisky, vodka, etc. Por lo tanto, cada productor de bebidas alcohólicas es un microbiólogo aficionado. En el caso del vino, el jugo de uva obtenido luego del prensamiento del fruto (mosto) contiene altos niveles de azúcar en forma natural. Estos azúcares se transforman en alcohol y dióxido de carbono por la fermentación alcohólica que produce Saccharomyces. Para que se produzca una fermentación efectiva se debe tener especial cuidado de que el O2 no ingrese en el proceso porque en ese caso las levaduras no producirían la fermentación natural. Este proceso puede producir vino con alcohol de hasta 16 por ciento. 19 Fermentación de Pan Durante el proceso de fermentación de pan, el azúcar es convertida en alcohol etílico y dióxido de carbono. El dióxido de carbono formará burbujas, que serán atrapadas por el gluten del trigo que causa que el pan se levante. Debido a la rapidez con que se fermenta el pan, se producen apenas pocas cantidades de alcohol, que en su mayoría se evapora durante el proceso de levado. 20 CRECIMIENTO BACTERIANO En microbiología el crecimiento se define como un incremento en la cantidad de células. El crecimiento de las células procariotas, en su mayoría, continúa hasta que se divide en dos células por un mecanismo conocido como FISIÓN BINARÍA. Proceso de fisión binaria en célula procariota La VELOCIDAD DE CRECIMIENTO es el cambio en el número de células por unidad de tiempo. Durante el ciclo de división celular, todos los componentes celulares se de la célula se duplican. Por lo tanto existe un tiempo ocupado por la célula en dividirse que se conoce como TIEMPO DE GENERACIÓN o DE DUPLICACIÓN. Este tiempo depende del microorganismo y puede variar de 10 minutos a días. 21 CURVA DE CRECIMIENTO FASE DE LATENCIA O ADAPTACIÓN Cuando se inocula una población bacteriana en un medio de cultivo nuevo, se requiere tiempo para la síntesis de las nuevas enzimas. Si un cultivo en crecimiento se cultiva en un mismo medio, el periodo de latencia está ausente. FASE DE EXPONENCIAL Es consecuencia de que cada célula se divide para formar dos células y a su vez las células hijas de dividen en dos, y así sucesivamente. FASE DE ESTACIONARIA Pude suceder que un nutriente esencial sea el límite del crecimiento o que se acumulen desechos en niveles inhibitorios. En esta fase no hay aumento ni descenso del número de células. Existe un equilibrio entre células que crecen y otras que mueren. FASE DE MUERTE Ocurre luego de la fase de latencia. En algunos casos la muerte se acompaña de lisis celular. FACTORES QUE PUEDEN AFECTAR EL CRECIMIENTO CELULAR En los requisitos para el crecimiento microbiano incluyen factores físicos y químicos. Entre los requisitos físicos tenemos la temperatura, el pH y la presión osmótica. Los requisitos químicos necesarios para el crecimiento bacteriano son los diversos elementos químicos constitutivos de las células. 22 Requisitos Físicos TEMPERATURA El patrón de crecimiento bacteriano se ve profundamente influenciado por la temperatura. La temperatura óptima permite el crecimiento de las bacterias durante un período de tiempo corto. La temperatura mínima de crecimiento es aquella en donde la especie puede todavía crecer. La Temperatura máximo de crecimiento es la temperatura mayor en la cual el crecimiento es posible. Los microorganismos se dividen según su preferencia de rango de temperatura. Los PSICRÓFILOS crecen mejor a una temperatura que va desde los 0°C o más baja, pero tienen una temperatura óptima de 15°C ó menos y una máxima de aproximadamente 20°C. Existen psicrófilos estrictos que crecen en la Antártica. Los MESÓFILOS crecen mejor a temperaturas que fluctúan de entre 25°C a 40°C. Aquí encontramos los patógenos de humanos y animales de sangre caliente, éstos crecen mejor a 37°C. Los TERMÓFILOS son bacterias que crecen a una temperatura óptima sobre los 45°C. La región de crecimiento de muchos termófilos se extiende a la región de los mesófilos. Estas se conocen como termófilos facultativos. La temperatura óptima de crecimiento para estos últimos microorganismos es entre 50 a 60°C. Los TERMÓFILOS EXTREMOS crecen a una temperatura mayor de 90°C. Es muy importante señalar que una bacteria no manifiesta las mismas características de cultivo cuando se crece a diferentes temperaturas, un ejemplo lo observamos en Serratia marcescens, esta bacteria produce un pigmento rojo solamente a cierta temperatura de cultivo. PH En la mayoría de las bacterias el crecimiento óptimo es entre 5 y 9. Muy pocas bacterias crecen a un pH menor de 4.0. Sin embargo, las bacterias clasificadas como ACIDÓFILOS son tolerantes a la acidez. También existen ALCALÓFILAS cuyo pH óptimo es elevado. PRESIÓN OSMÓTICA Los microorganismos requieren agua para su crecimiento, además para obtener nutrientes de ésta. El agua difunde desde una región con alta concentración de agua a una con menor concentración, fenómeno conocido como ósmosis. Al tener la célula generalmente mayor concentración de solutos el agua tiende a entrar en ella. Una presión osmótica alta causa pérdida de agua y plasmólisis de la célula, por lo que se utiliza este fenómeno para conservar los alimentos ya sea añadiendo sal o azúcar, lo que previene el crecimiento bacteriano. Sin embargo algunas bacterias se han adaptado a altas concentraciones de sal, a éstas se les conoce como HALÓFILOS EXTREMOS. Por otro lado, los HALÓFILOS FACULTATIVOS no requieren una alta concentración de sal, pero pueden crecer hasta una concentración de 2%. Otras bacterias pueden tolerar hasta un 15% de sal. 23 Requisitos Químicos CARBÓNO (C) Todos los organismos requieren C para sintetizar los componentes celulares. NITRÓGENO, AZUFRE.Y FÓSFORO. Estos elementos se requieren para la síntesis de DNA, RNA, proteínas y ATP. Las bacterias pueden obtener nitrógeno (N) ya sea fijándolo directamente de la atmósfera, como por ejemplo el género bacteriano Rhizobium. También pueden obtener este elemento de compuestos inorgánicos que contengan N como nitritos, nitratos, sales de amonia o amino ácidos. Las bacterias pueden obtener azufre de iones de sulfato, sulfito de hidrógeno y amino ácidos con azufre. El fósforo es esencial para la síntesis de ácidos nucleicos y membranas celulares. Una fuente para obtener fósforo son los iones de fosfato y el ATP. ELEMENTOS TRAZAS. Otros elementos como hierro, cobre, molibdeno y zinc son requeridos por los microorganismos en pequeñas cantidades. Usualmente tienen función de cofactor. OXÍGENO No todos los microorganismos necesitan 02, sin embargo, muchas formas de vida requieren oxígeno para llevar a cabo respiración aeróbica. Los microorganismos que utilizan oxígeno molecular son llamados aeróbicos. Estos se clasifican en aeróbicos obligados que son los que requieren oxígenos molecular para vivir, y los aeróbicos facultativos los cuales utilizan el oxígeno molecular cuando está presente, pero en su ausencia continúan su crecimiento por la vía de fermentación o respiración anaeróbica, un ejemplo es Escherichia coli. Por otro lado tenemos los anaeróbico obligadosque necesitan ausencia de oxígeno molecular para crecer y donde este generalmente es tóxico, un ejemplo es el género Clostridium. Estos microorganismos obtienen el átomo de oxígeno molecular del agua. También se observan microorganismos anaeróbicos aerotolerantes los cuales no utilizan el oxígeno molecular para su crecimiento, pero pueden tolerarlo. Los microaerofílicos sólo pueden crecer en concentraciones de oxígeno molecular menor a las encontradas en el aire. FACTORES ORGÁNICOS DE CRECIMIENTO Estos son compuestos orgánicos esenciales que el organismo no puede sintetizar, aquí se incluyen las vitaminas, los amino ácidos, las purinas y las pirimidinas. Nutrición Los elementos nutritivos - nutrientes- se encuentran en el medio ambiente. Los nutrientes se usan para sintetizar masa celular o como obtención de fuentes de energía para respiración, fermentación y /o fotosíntesis. El proceso de nutrición requiere de C, N, S, P, Mg2+, Fe2+, Ca2+, K+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Mo2+, Mn2+. Los cationes son en general cofactores de las enzimas o componentes de las mismas. 24 El carbono puede ser orgánico o inorgánico. Los organismos que utilizan C orgánico son capaces de fotosintetizar. Los organismos que utilizan una fuente de C inorgánica se denominan autótrofos. Los que utilizan una fuente de C orgánica se denominan heterótrofos. Si la fuente de C es inorgánica entonces aporta energía y material para síntesis. Las sustancias respirables o fermentables deben tener estado de oxidación intermedio, como hidratos de carbono, hay bacterias que pueden utilizar ácidos orgánicos. Generalmente el N es tomado como grupo amino de aminoácidos, sales de amonio; puede haber otras fuentes como nitritos, nitratos incluso N molecular. El azufre se obtiene de sulfatos. La mayoría de los microorganismos pueden asimilar N ó S si es, de las fuentes citadas. El P lo obtienen de fosfolípidos, ácidos nucleicos e incluso fosfatos que además sirven como buffers. Cuando se elabora un medio nutritivo para el estudio de los microbios – medio de cultivo – los cationes son generalmente aportados como sales inorgánicas, aunque algunas de ellas como las de Co, Cu, Zn, Mo y Mn no es necesario agregarlas ya que son requeridas en concentraciones muy bajas y se encuentran presentes como impurezas cumpliendo con la concentración requerida. Clasificación de los organismos en base a sus requerimientos nutritivos FOTOTROFOS: usan energía solar. Si el aporte es de C inorgánico FOTOAUTOTROFO Si el aporte es de C orgánico FOTOHETEROTROFO QUIMIOROFOS usan energía química Si el aporte es de C inorgánico QUIMIOAUTOTROFO Si el aporte es de C orgánico QUIMIOHETEROTROFO (REACCIONES DE OXIDOREDUCCIÓN) Existe un nutriente el OXIGENO que es estrictamente necesario para ciertos microorganismos los AEROBIOS ESTRICTOS siendo el oxígeno el aceptor final de electrones. En cambio los ANAEOBIOS ESTRICTOS no poseen los catalizadores necesarios. Por tanto el oxígeno forma peróxidos que no pueden desdoblar. No pueden crecer en presencia de oxígeno. Los ANAEROBIOS FACULTATIVOS pueden crecer tanto en presencia como en ausencia de oxígeno. En general poseen metabolismos alternativos. Si hay oxígeno respiran y si no lo tienen fermentan. 25 MEDIOS DE CULTIVO Cuando se quieren estudiar microorganismos muchas veces se necesita hacerlos crecer en un medio adecuado al que se le denomina MEDIO DE CULTIVO. Este consiste en una mezcla balanceada de todos los nutrientes necesarios para el desarrollo de un microorganismo en concentraciones adecuadas, es decir que no limiten el crecimiento ni resulten tóxicas. Los medios de cultivo se preparan con componentes minerales y componentes orgánicos que son fuentes de nitrógeno, de carbono y de energía. Existe una clasificación primaria de los medios de cultivo: SINTÉTICOS: aquellos que tienen una composición química definida. Es decir que se conocen todas las sustancias que forman parte del medio de cultivo y en qué concentraciones se encuentran. COMPLEJOS: participan sustancias de composición química no exactamente definida que son generalmente provenientes de hidrolizados de tejidos animales, como el extracto de levadura. En estos medios la composición no es constante, sino que se tiene una aproximación. Por ejemplo se puede saber que un medio contiene 3 % de extracto de levadura, pero no se sabrá con exactitud la composición química del extracto de levadura. Lo referente a medios de cultivos es muy importante desde dos puntos de vista: 1. Cada vez que se quiera producir un crecimiento microbiano hay que elegir el medio adecuado. 2. De la composición nutritiva de un alimento se puede tener una idea de qué tipo de microorganismos pueden encontrarse en él y pueden reproducirse. Supongamos un medio basal (MB) compuesto por: PO4H2K PO4HK2 SO4Mg 7 H2O SO4Fe 7 H2O Cl2Ca Elementos traza Ejemplo N°1 MB + ClNH4 El MB no contiene fuente de N. se lo suplementó con ClNH4. Tampoco tiene C ni factores de crecimiento ni fuentes de energía. Así que en este medio no puede crecer cualquier clase de microorganismo. Sería posible cultivar en él microorganismos aerobios porque tomarían como fuente de C el CO2 del aire, deberían ser autótrofos y dentro de estos los fotosintéticos que pueden obtener energía de la luz. También podrían crecer algunos quimioautótrofos que toman energía del ClNH4. Ejemplo N°2 MB + ClNH4 + glucosa En este medio podrán crecer heterótrofos en general hongos y bacterias que no requieren ningún factor de crecimiento y pueden cultivarse organismos aerobios, anaerobios facultativos y estrictos, ya que la glucosa puede ser fermentada anaeróbicamente u oxidada aeróbicamente. 26 Ejemplo N°3 MB + ClNH4 + glucosa + ácido nicotínico. Además de los microorganismos capaces de crecer en el medio Nº 3, crecerán bacterias del tipo Proteus vulgaris que requieren del factor de crecimiento ácido nicotínico. Ejemplo N°4 MB + ClNH4 + extracto de levadura Se dijo que el extracto de levadura es una fuente de N por la gran cantidad de aminoácidos y de factores de crecimiento. En este medio crecen casi todos los microorganismos. Podemos decir entonces que los tres primeros ejemplos pertenecen a la clasificación de medios sintéticos y el último a la de complejos. ¿Cuándo se justifica el uso de un medio complejo? Cuando no se conocen los requerimientos de los microorganismos a estudiar o si los requerimientos son muy numerosos. Existen otras condiciones que deben considerarse en la utilización de un medio de cultivo: pH, presión osmótica, composición, ambiente, oxígeno y /o dióxido de carbono, temperatura de incubación. Presión osmótica: en general son hipotónicos y la presión osmótica intracelular es mucho mayor que la de los medios de cultivo. La pared celular es la estructura que permite que las bacterias sobrevivan en esas condiciones. pH: la metabolización de algunos componentes en los medios de cultivo lleva a variaciones en el pH del medio. Por ejemplo por metabolización de la glucosa se pueden producir ácidos orgánicos. Por metabolización de algunos aniones, proteínas, aminoácidos a NH4 + se produce alcalinización en el medio. Para contrarrestar estos efectos se recurre a diferentes medidas. Una de ellas es el uso de buffer de fosfato en el medio de cultivo. Fundamentalmente en sus formas mono y diácido. Generalmente monopotásico y dipotásico sirviendo también como fuente de fósforo. Los buffers de fosfato dan pH generalmente en el rango fisiológico (6.4-7.6) y en las concentraciones utilizadas es poco tóxico. Sin embargo una fuente de fósforo en altas concentraciones es tóxica por tanto no se puede aumentar irrestrictamente la cantidad de bufferpara ajustar el pH. Cuando la capacidad de un buffer no es suficiente para regular el pH se recurre a otro tipo de compuestos, siempre agregados en el medio de cultivo, como los carbonatos que deben ser insolubles como el de calcio para actuar como reserva de álcali. A medida que se va acidificando el medio el carbonato insoluble, pasa a hidrógeno carbonato, ácido carbónico y finalmente se descompone espontáneamente en CO2 y H2O. Esto va sucediendo a medida que el medio se acidifica. Si se agregara un carbonato soluble por ejemplo de sodio, siendo esta una sal alcalina podría provocar un efecto inhibidor en el crecimiento. Podría presentarse la posibilidad que la variación de pH no pudiera modificarse mediante el agregado inicial de sustancias al medio de cultivo. Entonces se utilizan soluciones alcalinas ó ácidas según correspondan, que deben estar exentas de microorganismos (estériles) y deben ser agregadas en forma aséptica (no debe introducirse contaminación durante el agregado). 27 Composición: La composición de los medios de cultivo puede ser muy variada. Pueden contener hidratos de carbono, proteínas, aminoácidos, sales, minerales, hidrolizados de proteínas, indicadores, agentes quelantes, antibióticos, agentes reductores, etc. Según la composición del medio puede ser preparado mezclando todos los componentes si estos no sufren modificaciones sustanciales al ser sometidos al calor durante su esterilización. Hay caso en los que se produce precipitación por calor como son ejemplo los fosfatos de hierro y calcio que deben ser agregados en soluciones estériles y en forma aséptica. O bien se deben utilizar agentes quelantes (como el EDTA) para prepararlos desde el inicio y complejar los metales. Medio ambiente del cultivo Podemos cultivar microorganismos aerobios en la superficie de un medio de cultivo sólido o en profundidad. También pueden ser cultivados en medios líquidos. Según los requerimientos de la tensión superficial. Otra condición es el crecimiento en una atmósfera en ausencia de oxígeno – anaerobiosis -. Generalmente se somete el medio de cultivo a ebullición unos minutos y enfriado rápido antes de utilizarlo. Esto permite eliminar el oxígeno disuelto en él. Luego se lo debe incubar en una atmósfera ausente de Oxígeno. En los medios líquidos puede agregarse un agente reductor como el tioglicolato, ascorbato y una pequeña cantidad de agar-agar entre 0.5 y 2 g/l. Esto aumenta la viscosidad del medio. Estos medios deben ser sellados con un aceite mineral como vaselina estéril por ejemplo. Otro factor que puede influir es la luz. Los organismos quimiotrofos pueden desarrollarse en la oscuridad. Los fototrofos requieren ser cultivados en baños de agua termostatizada con luz incandescente. Existen MEDIOS DE CULTIVO SELECTIVOS Permite aislar o seleccionar bacterias de diversos materiales. Con tal fin se puede proceder de dos maneras: Por AISLAMIENTO DIRECTO: utilizando un medio sólido, el crecimiento se ve en forma de colonias aisladas. Por ENRIQUECIMIENTO PREVIO: utilizando un medio líquido, con este procedimiento logramos aumentar la cantidad de microorganismos. Utilizando un medio selectivo (que incluye algún componente que inhibe los microorganismos que no nos interesan), lograremos aumentar aquellos que queremos estudiar. Luego del enriquecimiento se procede a hacer un AISLAMIENTO en un medio sólido. También existen MEDIOS DE CULTIVO DIFERENCIALES son aquellos que no inhiben a unos y favorecen el crecimiento de otros microorganismos. Sino que permiten diferenciarlos por el tipo de crecimiento. Esto puede detectarse por diferentes coloraciones o reacciones diferenciales. 28 TECNICA ASÉPTICA 1- El asa de siembra se calienta hasta incandescencia y se enfría en el aire nuevamente. 2- Se destapa el tubo. 3- Se pasa el extremo del tubo por la llama. 4- Se extrae la muestra con el asa esterilizada y luego se flamea el extremo del tubo nuevamente. Se tapa. 5- Se abre la placa. 6- Se siembra en el medio estéril 7- El asa se recalienta de nuevo antes de finalizar su utilización. Los medios de cultivo deben esterilizarse antes de utilizarse. En la mayoría de los casos se realiza por calor húmedo en un gran recipiente a presión llamado autoclave. Con la técnica aséptica se trata de evitar la contaminación de la muestra. El problema más común es la contaminación a través del aire, que siempre llevan partículas en suspensión con microorganismos. AISLAMIENTO Y SIEMBRA DE BACTERIAS AEROBIAS INTRODUCCIÓN: En la naturaleza los microorganismos se encuentran en comunidades más o menos complejas. Son diversos los procedimientos existentes para el estudio de los mismos que dependerán del tipo de microorganismo y del período de tiempo de conservación que se requiera. Para ello existen técnicas de siembra, conservación y mantenimiento de los cultivos microbianos. Una técnica esencial en Microbiología es la de obtención de cultivos puros, a partir de los cuales podemos realizar estudios sobre las propiedades de los microorganismos. Un cultivo puro es aquel que contiene una sola clase de microorganismo. Para poder obtenerlo es necesario concurrir a las técnicas conocidas como aislamiento. 29 SIEMBRA: Sembrar una bacteria es colocarla en un medio de cultivo, elegido de acuerdo a las exigencias vitales del microorganismo, lo que permite su desarrollo y multiplicación, si se incuba en condiciones adecuadas, un tiempo conveniente. Para ello una pequeña porción de cultivo o muestra, que se denomina inóculo se transfiere al medio con precauciones especiales de asepsia a fin de evitar la introducción de otros microorganismos ajenos al inóculo. El conjunto de pasos a efectuar para lograr una siembra correcta, se conoce como técnica aséptica. La toma del inóculo es simple, pero se requiere tener en cuenta lo siguiente: − La siembra siempre debe realizarse al abrigo de las corrientes de aire (cerrar bien puertas y ventanas), con movimientos pausados, poco amplios, sin brusquedad y sin hablar. − Coloque frente a usted el mechero y la preparación o muestra que contiene los microorganismos, así como el resto del material necesario (portaobjetos, tubos, placas). Todo ello ha de ser alcanzado con facilidad y sin tropiezos. − Se debe trabajar a una distancia no mayor de 15 cm de la llama de un mechero. − El ansa o aguja de siembra se esteriliza por llameado directo (flaméelo hasta que alcance un rojo incandescente) y antes de retirar el inóculo debe facilitarse su enfriamiento, a fin de evitar el deterioro del material a sembrar (enfríelo en la proximidad de la llama unos 10 segundos). − Una vez realizada la siembra se esteriliza nuevamente el ansa o aguja a la llama del mechero antes de depositarla sobre la mesada de trabajo. − Nunca debe depositarse un tapón sobre la mesada o gradilla, pues estos elementos están cargados de microorganismos. − Cuando esté destapado, mantener el tubo en la forma más horizontal posible para evitar que los microorganismos del ambiente, en su caída, tengan acceso al interior. − Las bocas de los tubos de donde se toman los cultivos y la de aquellos a donde serán transferidos, deben pasarse ligeramente sobre la llama inmediatamente antes de que el ansa o aguja sea introducida. También se debe flamear la boca del tubo antes de taparlo. Este procedimiento fija al vidrio los microorganismos que pueden estar en dicha boca y tiende a crear corrientes hacia afuera (el aire tiende a salir), disminuyendo así el riesgo de contaminación. − Para retirar el inóculo o sembrar medios de cultivos en cajas de Petri, coloque la placa invertida sobre la mesada de trabajo y levante la parte que contiene el medio de cultivo con los microorganismos. Llévela a la proximidad de la llama del mechero y tome el inóculo conel ansa de siembra. Otro método permitido consiste en retirar el inóculo a sembrar, levantando la tapa solo lo suficiente para permitir la introducción del ansa o aguja, para evitar que los microorganismos ambientales se depositen en la superficie del medio. − Si la siembra se realiza con pipeta, ésta debe estar convenientemente preparada y esterilizada hasta el momento de su empleo. Una vez utilizada se descarta introduciéndola en una solución antiséptica. 30 − Transfiera el inóculo a otro medio de cultivo estéril, tomando las mismas precauciones en su manejo (flameando bocas de tubos, trabajando en la proximidad de la llama, etc.) La finalidad de una siembra puede ser la de realizar una transferencia o un aislamiento. La primera se efectúa con cultivos puros (una sola especie bacteriana), ya sea con el objeto de renovar el medio de cultivo para perpetuar la especie, o bien para conocer alguna de sus propiedades culturales o bioquímicas. El aislamiento, en cambio, se realiza a partir de un material que contiene una mezcla de especies bacterianas y su objeto es separarlas para obtener cultivos puros. TOMA DEL INÓCULO: Si la muestra proviene de un medio líquido, el inóculo se toma agitando suavemente el ansa dentro del mismo, quedando la muestra adherida por tensión superficial en el extremo del filamento del ansa de siembra. Si el medio es sólido y se encuentra en superficie la muestra a sembrar (caja de Petri), tome una pequeña porción de cultivo mediante un ligero roce con el ansa de siembra. Si la muestra se encuentra en la profundidad del agar (tubo con agar en pico de flauta), hunda el filamento dentro del medio hasta tomar una pequeña porción de la misma. Flamee la boca del tubo antes de taparlo y colóquelo en el soporte necesario. TRANSFERENCIA: La técnica que se aplica depende de la consistencia de los medios de cultivo y del tipo de recipiente que los contiene. Se pueden presentar los siguientes casos: (a) Siembra de medio líquido a medio líquido: El procedimiento se puede realizar con ansa en anillo, aguja o pipeta y en tubos de ensayo, matraces o frascos. (b) Siembra de medio sólido a medio líquido: El procedimiento se puede realizar con ansa en anillo o aguja y en tubo de ensayo, matraces o frascos. (c) Siembra de medio sólido a medio sólido: El procedimiento se puede realizar con ansa o aguja y en tubo de ensayo, ya sea en superficie o en profundidad o en caja de Petri, en superficie. (d) Siembra de medio líquido a medio sólido: El procedimiento se puede realizar con ansa en anillo, aguja o pipeta y en tubo de ensayo, ya sea en superficie o en profundidad o en caja de Petri, ya sea en superficie o por homogeinización. 31 Técnica de transferencia en tubos de ensayo: a) Técnica para medio líquido Los dos tubos, el que contiene el medio de cultivo sin sembrar y el que contiene los microorganismos a transferir, se toman con una mano, con las bocas colocadas a la misma altura. Se sostienen con los dedos índice, medio y anular apoyándolos en el dedo meñique, y se los sujeta con el dedo pulgar muy cerca de la base para permitir la visualización de toda la superficie del cultivo. Con los dedos pulgares e índice (como un lápiz) de la otra mano, se toma la pipeta estéril o el mango de Koll con su aguja o ansa en anillo y se esteriliza. Se destapan los tubos con los dedos libres de la mano que sujeta el ansa, de la siguiente manera: el tapón del tubo más alejado del operador (que es el que contiene la muestra) entre el dedo meñique y la palma de la mano; el tapón del tubo más cercano al operador (que contiene el medio de cultivo estéril) entre el meñique y el anular. Se flamean las bocas de los tubos, se toma el inóculo; se siembra; se flamean nuevamente las bocas de los mismos y se tapan respetando las procedencias de los tapones y se quema el ansa. Como el inóculo procede de un medio líquido, antes de realizar la transferencia se debe agitar el tubo para poner en suspensión a los microorganismos que pudieran estar depositados. Si la siembra se realiza en medio líquido, se agita el tubo sembrado para distribuir homogéneamente el inóculo. Para realizar la agitación se toma el tubo cerca del extremo superior con los dedos índice y pulgar y se golpea suavemente la base del mismo sobre el dedo índice de la otra mano con una amplitud de 5 cm. Otra forma consiste en hacer rotar los tubos entre las palmas de las manos. b) Técnicas para medio sólido. Cuando el medio de cultivo a sembrar es sólido, se puede sembrar en superficie, en profundidad o en profundidad y superficie. En superficie: (a) Por estría: Introducir el ansa en anillo o aguja en el tubo de agar inclinado hasta el fondo diluyendo el inóculo en el agua de condensación que se acumula en esa parte, luego mover el ansa suavemente sobre la superficie del agar con un movimiento en zig-zag ascendiendo desde el fondo hasta la parte superior del medio. (b) Por trazo: Introducir el ansa en anillo o aguja en el tubo de agar inclinado y trazar una línea de siembra desde la base del pico de flauta hasta el extremo superior, sin ejercer presión para que no se rompa el medio. En profundidad: a) Por punción: El medio de cultivo que se emplea está solidificado en tubo en forma vertical y la siembra se realiza con aguja, la que se introduce con el inóculo rápidamente en el seno del medio y se retira de la misma forma. La punción se realiza en el centro del medio o excéntricamente. En profundidad y superficie: Por punción y estría: Se utilizan para la siembra tubos con agar inclinado pero con mucho fondo. Se introduce la aguja en el tubo de agar inclinado, se punza el fondo, se retira y se realiza un trazo o estría en el pico de flauta. 32 Técnica de transferencia en caja de Petri: La siembra en caja de Petri, puede hacerse: a) En superficie (Figura 2). a.1. Por estría central: Se levanta la tapa lo suficiente como para permitir la introducción del ansa con la carga de microorganismos, iniciándose la estría en el borde del medio más alejado del operador y se la extiende hasta llegar al centro de la placa, luego se gira ésta 180 º y se continúa realizando otra estría de la misma manera. Esta división evita el obstáculo del borde de la placa. a.2. Por estría en cuadrantes: Se divide la caja en cuatro sectores y el medio más alejado del operador y se siembra en estría cada uno de ellos, partiendo del borde de la caja hacia el centro. El cuadrante a sembrar debe ser el más alejado del operador y el inóculo en cada caso puede ser el mismo (la misma especie) o distinto (diferente especie) para cada cuadrante. a.3. Por diseminación con espátula de Drigalsky: Se deposita sobre el medio sólido contenido en la placa, una ansada o una gota con pipeta del material a sembrar, que luego se extenderá por toda la superficie del medio con una espátula de DRIGALSKY. La espátula se introduce inmediatamente después de su uso en un recipiente para su esterilización en autoclave o en formaldehído al 5 %. 33 a.4. Por diseminación con hisopo: Se sumerge en el caldo de cultivo, se escurre el exceso de líquido sobre la pared interior del tubo y se estrían ambas mitades de la placa de Petri, partiendo de los bordes hacia el centro, luego se gira 90º y se estrían nuevamente ambas mitades, finalmente se gira 45º y se estrían ambas mitades. b) Por homogeneización: b.1. Técnica de la siembra en tubo para volcar en placa: El inóculo se introduce con el ansa o pipeta en un tubo con el medio de cultivo fundido y enfriado a 45 ºC en cantidad suficiente para cubrir la placa de Petri. Se homogeneiza por rotación y se vuelca en la placa previo flameado de la boca del tubo. b.2. Técnica del agar volcado: Se deposita el inóculocon pipeta en el centro de la caja de Petri y luego se vuelca sobre el mismo el medio de cultivo fundido y enfriado a 45ºC. Se homogeneiza por rotación para lo cual se le imprime a la caja movimientos circulares, en sentido horario y en sentido antihorario y movimientos rectilíneos, horizontales y verticales. Se debe tener en cuenta que de las cajas de Petri preparadas con medio de cultivo para sembrar, debe eliminarse el agua de sinéresis (condensación) antes de efectuar dicha operación. Para tal fin es aconsejable preparar las placas con 24 hs. de anticipación y dejarlas invertidas a temperatura ambiente. AISLAMIENTO: El objeto es obtener cultivos en estado puro, operación imprescindible y previa al estudio e identificación de una especie bacteriana. 34 Se pueden realizar aislamientos por métodos generales y por métodos especiales. Métodos generales de aislamiento: Estos métodos utilizan medios de cultivos sólidos en caja de Petri. a) Por diluciones sucesivas: Se homogeneiza la muestra y se carga el ansa por única vez. Luego se pasa el ansa de un tubo a otro. Estos tubos contienen agar a 45 ºC. De esta manera el primer tubo contendrá mayor concentración de microorganismos que el último. Luego se pasa el contenido de los tubos a las cajas de Petri y de allí a los tubos con agar en pico de flauta. b) Por agotamiento en superficie en una sola caja: Es el método más utilizado. Se prepara una caja de Petri con el medio de cultivo a la que se le elimina el exceso de humedad según se indicó anteriormente. Primero, se marca la parte exterior de la contratapa de acuerdo al esquema. Se carga el ansa con la muestra, se deposita en un punto de la superficie del sector (I) cercano al borde, y se extiende en el mismo con estrias próximas y paralelas. A continuación se quema el ansa y se deja enfriar. Se gira la caja 90 º, se pasa el ansa una vez sobre la última estría de la región ya inoculada y se arrastra al sector (II) efectuando sobre él la siembra sin superponer las estrías con las realizadas antes. Se quema nuevamente el ansa y de la misma manera se estría el sector (III). Luego de quemar el ansa, en el sector (IV) se realizan estrías con el material que se arrastra de (III), más amplias y que terminan en el centro de la caja. Cualquiera sea el método empleado, si se realiza correctamente, podrán obtenerse colonias aisladas. Estas pueden pertenecer a distintas especies bacterianas, las que generalmente se diferencian macroscópicamente. En general cada colonia se considera formada a partir de una célula bacteriana, aunque esto no es del todo cierto pues puede darse el caso de que dos o más células den origen a una colonia. Si todas pertenecen a una misma especie, la colonia resultante será pura. Caso contrario, la finalidad del trabajo no se habrá cumplido, no lográndose el aislamiento. Para comprobar la pureza de la colonia aislada se puede realizar una coloración de Gram. Para ello se pica la colonia y se la identifica con una marca en el fondo de la caja con un número identificatorio. Se hace el extendido con una porción de la colonia y si todas las células observadas coinciden morfológicamente, se repica el resto de la colonia en un tubo con agar en estría para obtener un cultivo puro. A veces la igualdad morfológica en la coloración de Gram resulta engañosa por existir bacterias de diferentes especies (pero iguales morfológicamente) presentes dentro de la colonia seleccionada pero en muy bajo número debido a su imposibilidad de desarrollar. Por consiguiente es necesario realizar siempre aislamiento para observar la uniformidad de las colonias. 35 Métodos especiales de aislamiento: a) Métodos derivados de las propiedades de las bacterias: Consisten en hacer desarrollar la mezcla bacteriana, en un medio de cultivo especial, donde una especie puede dar lugar a colonias de un color que la identifiquen (ya sea por cambios de pH o por precipitación de elementos del medio). Un ejemplo, es el aislamiento en el llamado agar- lactosa- verde- brillante- bilis, donde las bacterias coliformes dan colonias color rojo intenso en el centro con un halo rosado que destacan del fondo azul del medio. b) Métodos biofísicos: Se basan en el empleo de condiciones físicas determinadas que afectan a ciertos microorganismos y no a otros. A) Empleo de temperaturas disgenésicas: La mayoría de las bacterias desarrollan bien a 37°C. Sin embargo hay especies que lo hacen hasta 40°C -42°C y aún más, otras por debajo de 35°C. Estas características se pueden usar para la separación de especies. B) Termorresistencia de las bacterias esporuladas: Los esporos de las bacterias son formas de resistencia que toleran temperaturas que resultan letales para las formas vegetativas. Este comportamiento se aprovecha para la separación de las especies que tienen la capacidad de esporular. C) Movilidad del microorganismo: Las bacterias móviles desarrollan en gran parte de la superficie del medio, mientras que las inmóviles lo hacen solo en el punto de siembra. Métodos biológicos: Estos métodos utilizan la propiedad que tienen ciertos animales de laboratorio de ser receptivos a algunos microorganismos. Nota: Cuando se realizan aislamientos de bacterias anaerobias, se pueden aplicar las mismas técnicas, teniendo la precaución de regenerar previamente el medio de cultivo e incubar en anaerobiosis. ------------------------------------------------------------------------------- ESTERILIZACIÓN Concepto y métodos La esterilización es un proceso a través del cual un objeto o sustancia queda libre de todo organismo viviente, en términos de viabilidad, la capacidad que ese organismo posee para dividirse. Existen varios métodos prácticos para esterilizar: la elección depende, fundamentalmente, de la naturaleza de los materiales a esterilizar y de la conveniencia. Asimismo, se pueden emplear distintos métodos de desinfección mediante agentes que sólo disminuyen el riesgo de contaminación sin garantizar la eliminación de todo organismo viviente, fundamentalmente por la eliminación de los micoorganismos patógenos. Es decir, la desinfección elimina el potencial infectivo de un material. A su vez, un antiséptico se opone a la sepsis o a la putrefacción, ya sea por acción letal de los microorganismos o impidiendo su desarrollo. Este término se emplea con frecuencia para aquellos agentes que se aplican en forma tópica sobre los tejidos vivos. La elección de un procedimiento o agente apropiado está determinada por la situación específica y por el hecho de que sea necesario destruir a todos los microorganismos 36 (m.o.) o sólo a ciertas especies. La destrucción completa de todos los m.o. presentes sobre cualquier material o dentro de él, es indispensable en los procedimientos quirúrgicos, en la preparación de medios de cultivo y material de vidrio utilizado en el laboratorio de Microbiología, y en el envasado de alimentos, por ejemplo. En el cuidado de personas con enfermedades transmisibles, la destrucción del patógeno es necesaria para prevenir la diseminación de la infección a personas susceptibles. Con este propósito, una desinfección resulta adecuada y, en general, se la emplea en el procedimiento de limpieza. La esterilización o desinfección pueden llevarse a cabo según dos métodos: 1- Métodos físicos: Agentes Aplicación Calor húmedo Esterilización Calor seco Esterilización Radiación ultravioleta Desinfección o Esterilización Radiaciones ionizantes (γ, x) Esterilización Filtración Esterilización 2- Métodos químicos: Agentes Aplicación Oxido de etileno (alquilante) Esterilización Formaldehído (alquilante) Desinfección o Esterilización Alcoholes (alifáticos y
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