Microbiología

La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos, seres vivos de tamaño microscópico que requieren instrumentos ópticos para ser observados. Su importancia radica en su ubicuidad y en su papel crítico en el mantenimiento de la vida en la Tierra.

Tradicionalmente, la clasificación se basaba en la morfología, pero gracias a los estudios de Carl Woese sobre el ARN ribosómico (ARNr 16S), hoy dividimos la vida en tres grandes dominios:

1. Archaea (Arqueas): Procariotas unicelulares que a menudo viven en ambientes extremos (extremófilos). Se diferencian de las bacterias en la composición de su membrana (enlaces éter en lugar de éster) y en su maquinaria molecular de transcripción.
2. Bacteria (Bacterias): Procariotas con una enorme diversidad metabólica. Poseen paredes de peptidoglicano y son los habitantes más comunes del planeta.
3. Eukarya (Eucariotas): Incluye microorganismos como protozoos, algas microscópicas y hongos (levaduras y mohos). Se caracterizan por tener núcleo definido y orgánulos membranosos.

Las bacterias presentan una gran variedad de formas celulares, lo que facilita su identificación preliminar en el laboratorio:

• Cocos: Esféricos (pueden agruparse en cadenas -estreptococos- o racimos -estafilococos-).
• Bacilos: Forma de bastón.
• Espirilos: Forma helicoidal rígida.
• Vibrios: Forma de coma.

La estructura más crítica es la pared celular, que protege contra la lisis osmótica. Según la tinción de Gram, distinguimos:

• Gram positivas: Poseen una capa muy gruesa de peptidoglicano (mureína) y ácidos teicoicos. Se tiñen de color violeta.
• Gram negativas: Tienen una capa fina de peptidoglicano y una membrana externa adicional rica en lipopolisacáridos (LPS). Se tiñen de color rosado.

Otras estructuras incluyen la cápsula (capa mucosa protectora), los flagelos (locomoción), las fimbrias (adhesión) y los pili (intercambio genético).

Las bacterias se reproducen asexualmente por fisión binaria, un proceso donde la célula duplica su ADN y se divide en dos células hijas idénticas. Esto permite un crecimiento exponencial en condiciones óptimas.

Para generar variabilidad genética, utilizan la transferencia genética horizontal:

• Transformación: Captación de fragmentos de ADN libre del medio ambiente.
• Transducción: Transferencia de ADN de una bacteria a otra mediante un bacteriófago (virus).
• Conjugación: Transferencia directa de plásmidos a través de un pili sexual.

Los virus son agentes infecciosos acelulares, parásitos intracelulares obligatorios. Su estructura básica consta de:

• Genoma vírico: Puede ser ADN o ARN, monocatenario o bicatenario.
• Cápside: Cubierta proteica formada por unidades llamadas capsómeros. Según su forma, los virus pueden ser helicoidales, icosaédricos o complejos (como los bacteriófagos).
• Envoltura membranosa: Algunos virus (como el VIH o la gripe) poseen una bicapa lipídica externa con espículas (glicoproteínas) que facilitan la entrada en la célula huésped.

Los virus pueden seguir dos estrategias principales al infectar una célula:

1. Ciclo Lítico: El virus se adhiere, inyecta su material genético, secuestra la maquinaria celular para fabricar nuevos viriones y finalmente provoca la lisis (rotura) de la célula para liberarlos.
2. Ciclo Lisogénico: El genoma vírico se integra en el cromosoma del hospedador, permaneciendo en estado latente como un provirus. Se replica junto con la célula hasta que un estímulo induce el inicio del ciclo lítico.

Mención especial merecen los retrovirus, que utilizan la enzima transcriptasa inversa para convertir su ARN en ADN y así integrarse en el genoma eucariota.

Existen agentes aún más simples que los virus:

• Viroides: Pequeñas moléculas de ARN circular monocatenario sin cubierta proteica. Afectan principalmente a plantas.
• Priones: Proteínas con un plegamiento anómalo ($PrP^{Sc}$) que pueden inducir el mal plegamiento de proteínas normales ($PrP^C$). Son responsables de las encefalopatías espongiformes (como el mal de las "vacas locas"). Los priones no contienen ácidos nucleicos, lo cual desafió el dogma central de la biología molecular.

Los microorganismos son los seres con mayor versatilidad metabólica. Se clasifican según su fuente de energía y de carbono:

Los quimiolitótrofos son únicos del mundo procariota: obtienen energía oxidando compuestos inorgánicos ($NH_3$, $H_2S$, $Fe^{2+}$) y son fundamentales en los ciclos biogeoquímicos.

La fermentación es un proceso catabólico anaeróbico donde el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico. Su rendimiento energético es bajo (solo 2 ATP por glucosa).

• Fermentación láctica: Realizada por bacterias como Lactobacillus. El piruvato se reduce a lactato. Es clave en la producción de yogur.
• Fermentación alcohólica: Realizada por levaduras (Saccharomyces). El piruvato se convierte en etanol y $CO_2$. Es la base de la industria del pan, la cerveza y el vino.

En el laboratorio, los microorganismos se crecen en medios de cultivo. Estos pueden ser selectivos (favorecen el crecimiento de unos y frenan otros) o diferenciales (permiten distinguir especies por su metabolismo).

Para el control del crecimiento utilizamos:

• Esterilización: Eliminación total de toda forma de vida (ej. autoclave).
• Desinfección: Reducción de la carga microbiana en objetos inanimados.
• Antibióticos: Sustancias químicas que inhiben el crecimiento bacteriano. El uso excesivo ha generado mecanismos de resistencia, un grave problema de salud pública actual.

El nitrógeno es esencial para proteínas y ácidos nucleicos, pero el $N_2$ atmosférico es inerte para la mayoría de seres vivos. Los microorganismos son los únicos capaces de transformarlo:

1. Fijación biológica: Bacterias como Rhizobium (en simbiosis con leguminosas) convierten $N_2$ en amoniaco ($NH_3$).
2. Nitrificación: Bacterias quimiosintéticas oxidan el amoniaco a nitrito ($NO_2^-$) y luego a nitrato ($NO_3^-$).
3. Desnitrificación: En condiciones anaerobias, algunas bacterias devuelven el nitrógeno a la atmósfera como $N_2$.

En el ciclo del carbono, los microorganismos actúan como productores primarios (cianobacterias) y, sobre todo, como descomponedores, cerrando el ciclo al mineralizar la materia orgánica muerta y liberar $CO_2$. En el ciclo del azufre, las bacterias verde-sulfúreas y púrpuras realizan fotosíntesis anoxigénica, utilizando $H_2S$ como donador de electrones.

La biorremediación es el uso de microorganismos para limpiar ambientes contaminados (por ejemplo, bacterias que degradan petróleo tras un vertido). Asimismo, se emplean bacterias en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) para eliminar la carga orgánica del agua antes de devolverla a los ríos.

La humanidad ha usado microbios durante milenios. Además de las fermentaciones mencionadas, los microorganismos ayudan en la maduración de quesos y en la producción de vinagre (fermentación acética por Acetobacter).

La biotecnología moderna utiliza microorganismos modificados genéticamente para producir sustancias de interés humano:

• Antibióticos: Originalmente derivados de hongos (Penicillium) y bacterias del suelo (Streptomyces).
• Insulina recombinante: Producida por bacterias E. coli a las que se les ha insertado el gen humano.
• Vacunas: Uso de microorganismos atenuados o partes de ellos para entrenar al sistema inmunitario.

Robert Koch estableció los postulados de Koch para demostrar que un microorganismo específico causa una enfermedad concreta. Aunque la mayoría de los microbios son beneficiosos o neutros, los patógenos causan enfermedades como la tuberculosis, el cólera o la salmonelosis. La epidemiología estudia cómo se propagan estas enfermedades para establecer medidas de prevención y vacunación masiva.