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UNIDAD 17
Microorganismos: enfermedades y biotecnología
Recursos para la explicación de la unidad
Los
microorganismos
patógenos
Las
enfermedades
infecciosas
Ciclo de
Entamoeba
histolytica
Ciclo de
Plasmodium
Estudio
y control de
microorganismos
La biotecnología
microbiana
Producción de
antibióticos
Fermentaciones
Control de plagas
Alimentación
Ingeniería
genética
Los
microorganismos
y los ciclos
biogeoquímicos
El ciclo del
carbono
El ciclo del azufre
El ciclo del
nitrógeno
El ciclo
del fósforo
Los microorganismos patógenos
Vector (insecto)
Bacterias
que producen
hialuronidasa
Disminución de
la cohesión entre
las células
Estafilococo
Fibrinógeno
transformado
en fibrina
Los microorganismos infecciosos
INFECCIÓN
Invasión de un ser vivo por
microorganismos patógenos
Puede producir una
enfermedad (no
siempre)
Patogenicidad o virulencia del microorganismo
Susceptibilidad del huésped
Depende de:
Factores ambientales
Equilibrio con la flora bacteriana autoctona
Los microorganismos infecciosos
Fases de una infección
•
•
•
Adherencia específica a tejidos del huésped o entrada en células específicas pasivamente o
activamente.
Penetración Una vez adherido, el microorganismo puede liberar toxinas o penetrar en el tejido y
diseminarse por distintas zonas.
Reproducción. Una vez ha entrado el microorganismo se multiplica. En general todas las
infecciones pasan por tres etapas:
1.
2.
3.
Periodo de incubación. Tiempo comprendido entre
la entrada del agente hasta la aparición de sus
primeros síntomas. Aquí el patógeno se puede
multiplicar y repartirse por sus zonas de ataque.
Varia el tiempo dependiendo de la enfermedad.
Periodo de desarrollo. Aparecen los síntomas
característicos.
Convalecencia. Se vence a la enfermedad y el
organismo se recupera.
Factores de virulencia. Las toxinas
Sustancias venenosas de bajo peso molecular producidas generalmente por bacterias, que
causan daño en el organismo en el que se encuentran.
1.
Exotoxinas: proteínas liberadas al medio
extracelular.
Entre
estas
destacan
las
enterotoxinas
que
producen
infecciones
alimentarias. Ej. Toxina botulínica.
2.
Endotoxinas: lipopolisacáridos que forman parte
de la pared bacteriana y por tanto permanecen
unidas al microorganismo.
Factores de virulencia. Las toxinas
Exotoxinas
Excretadas por células vivas.
Concentración grande en el medio líquido.
Endotoxinas
Parte integral de la pared celular de bacterias gram(-) .
Se liberan al morir la bacteria, y durante el crecimiento.
No necesitan liberarse para mostrar su actividad
biológica.
Producidas por bacterias gram(-) y gram (+).
Polipéptidos de alto peso molecular.
Sólo se encuentran en bacterias gram(-) .
Lipopolisacáridos complejos.
Relativamente inestables; Se destruyen por
calentamiento a temperatura mayores de 60ºC.
Relativamente estable; resiste el calor a temperaturas
mayores de 60ºC durante horas sin perder su toxicidad.
Pueden resistir al autoclave.
Altamente antígena.
Débilmente inmunógena.
Altamente tóxica; mortal para animales en cantidades
de µg o menores. Dosis letal pequeña.
Moderadamente tóxica; mortal para animales en
cantidades de 10 a 100 µg. Dosis letal muy grande.
Suele unirse a receptores específicos de la célula.
Por lo general no produce fiebre en el huésped.
No hay receptores específicos en las células.
Con frecuencia se controla por genes
extracromosómicos (por ejemplo, plásmido).
Síntesis dirigida por genes cromosómicos.
Específicos para ciertos tipos de función celular.
Varios efectos pero principalmente síntomas de choque
generalizado o hipersensibilidad.
En general produce fiebre en el huésped.
Las enfermedades infecciosas
Enfermedades transmitidas
por contacto directo
• Rabia (Rhabdovirus)
• Tétanos (Clostridium tetani)
• Dermatomicosis (hongos)
Enfermedades transmitidas
a través del aire
•
•
•
•
Enfermedades transmitidas
por el agua o los alimentos
•
•
•
•
•
Disentería amebiana
Poliomielitis
Botulismo
Salmonelosis
Hepatitis A
Resfriado común (Rhinovirus)
Gripe (Ortomixovirus)
Sarampión (Paramixovirus)
Paperas
Enfermedades transmitidas
por animales
•
•
•
•
•
Disentería amebiana
Poliomielitis
Botulismo
Salmonelosis
Hepatitis A
Enfermedades transmitidas
por vía sexual
•
•
•
•
•
•
•
Sida
Herpes genital
Hepatitis B
Gonorrea
Sífilis
Candidiasis vaginal
Tricomoniasis
Ciclo biológico de Entamoeba histolytica (disentería)
Agua contaminada
Quiste multinucleado
Desenquistamiento
de la ameba
Formación de amebas que
pasan al intestino grueso
Las amebas fagocitan
glóbulos rojos
Ameba en estado
prequístico
Quiste multinucleado
Quiste
Ciclo biológico del Plasmodium (malaria/paludismo)
3
1
2
4
7
6
1. Un mosquito infectado,
introduce esporozoitos
en una persona.
3. En las células del hígado
se forman merozoitos del
protozoo.
2. Los esporozoitos pasan
a las células del hígado.
4. Los merozoitos invaden
los glóbulos rojos.
5
5. Se forman gametocitos
masculinos y femeninos.
6. Un mosquito que pica
a una persona infectada
se lleva los gametocitos.
7. En el estómago del
mosquito se forma un
quiste con esporozoides
que pasan a su saliva
y puede infectar a otra
persona.
Estudio y control de microorganismos
Robert Koch (1843-1910) fue uno de los más importantes bacteriólogos de todos los
tiempos. Descubridor del bacilo de la tuberculosis y el bacilo del cólera y es considerado
el fundador de la bacteriología. Trabajó en el aislamiento de agentes infecciosos y
reinfecciones a partir de cultivos puros, experiencias a partir de las cuales estableció los
“Postulados de Koch”.
1- El agente debe estar presente en cada caso de la enfermedad y
ausente en los sanos.
2- El agente no debe aparecer en otras enfermedades.
3- El agente ha de ser aislado en un cultivo puro a partir de las
lesiones de la enfermedad.
4- El agente ha de provocar la enfermedad en un animal
susceptible de ser inoculado.
5- El agente ha de ser aislado de nuevo en las lesiones de los
animales en experimentación.
Estudio y control de microorganismos. Crecimiento
Curva de crecimiento de un cultivo bacteriano
Logaritmo del número de células viables
2
3
4
1
Tiempo de incubación en minutos
1. Fase de latencia
2. Fase exponencial
3. Fase estacionaria
4. Fase de muerte
Estudio y control de microorganismos. Control
Agente antimicrobiano
“Sustancia o Agente capaz de actuar sobre los
microorganismos, ya sea inhibiendo su
crecimiento o causando su muerte”
ANTIMICROBIANOS
(a) Bacteriostáticos…
Inhiben el crecimiento del microorganismo
(b) Bactericidas…
Matan a los microorganismos sin necesidad
de destruirlos o lisarlos
(c) Bacteriolíticos…
Matan a los microorganismos por lisis
Estudio y control de microorganismos. Control
Debe cumplir:
1.- Especificidad:
Se refiere al espectro de la actividad antimicrobiana, definida por su capacidad de
unión a un sitio específico de la bacteria.
2.- Eficacia “in vivo”:
Debe ser bacteriostático o bactericida in vivo, es decir, su acción no debe ser
revertida en el interior del organismo.
3.- Toxicidad selectiva:
Debe ser tóxico para el microorganismo, pero ser inocuo para el hospedero. Esto es
indispensable para la utilización del antimicrobiano en clínica.
Su actividad está afectada por
Tamaño de la
población
+Tamaño =
+Tiempo
Composición de
la población
Concentración e
intensidad del
agente
Naturaleza del
microorganismo
+Concentración
= +Efectividad
Temperatura
+Temperatura =
+Efectividad
Duración de la
exposición
+Tiempo =
+Efectividad
Entorno del
microorganismo
Puede
protegerlo
Estudio y control de microorganismos. Control
Esterilización: “es el proceso mediante el cual células vivas, esporas viables y virus son destruidos o removidos de un
objeto o hábitat”. Un objeto estéril es aquel que está libre de microorganismos vivos, esporas o cualquier agente
infeccioso.
Desinfección: “es el proceso de eliminar, inhibir o remover microorganismos que puedan causar enfermedad”.
Desinfectante: “agente, generalmente químico, utilizado para llevar a cabo la desinfección”, normalmente se utilizan
sobre objetos inanimados.
Antiséptico: “agente químico utilizado sobre tejido vivo”
Un desinfectante no necesariamente esteriliza un objeto, ya que pueden permanecer algunos
microorganismos o esporas.
Sanitización: “es el proceso de reducir la población de microorganismos a niveles considerados seguros por los
estándares de salud pública”.
Estudio y control de microorganismos. Control
Agentes antimicrobianos físicos
Calor: causa la desnaturalización de las proteínas de la pared bacteriana y ácidos
nucleicos, destruye las membranas.
• Calor húmedo (20 min a 121ºC): produce la desnaturalización y coagulación de
proteínas.
• Esterilización clásica (120ºC unos 30 min.)
• Esterilización UHT (140ºC 3 segundos, no proporciona tanta
conservación)
• Calor seco (2 horas a 180ºC) Origina la oxidación de los componentes celulares.
Autoclave
Horno
Estudio y control de microorganismos. Control
Agentes antimicrobianos físicos
Pasteurización: no pierde sabor ni aromas. Se eleva rápidamente la temperatura a
71,7ºC y se mantiene 15-20 segundos, para después enfriar (choque térmico)
Ultrapasteurización o UHT.
Tratamiento por debajo del punto de congelación: Bacteriostático.
Radiaciones electromagnética:
Ionizantes: (rayos X y gamma) ionizan las moléculas modificándolas.
No ionizantes: (UV) producen mutaciones y otros cambios en el ADN
Filtración de fluidos o gas.
Estudio y control de microorganismos. Control
Indicador de presión
Cámara
Puerta
Corriente de aire
Salida al exterior
Termómetro
Muestras para
esterilizar
Flujo de aire caliente
y húmedo
Estudio y control de microorganismos. Control
Agentes antimicrobianos químicos
Esterilizantes: Destruyen todas las formas microbianas. Formaldehido,
glutaraldehido.
Desinfectantes: Eliminan microorganismos pero no sus esporas. Hipocloritos (lejía),
compuestos fenolíticos, sulfato de cobre.
Antisépticos: Contra microorganismos presentes en heridas de la piel. Etanol 70%,
solución de yodo, agua oxigenada, jabón, detergentes, clorhexidina (cristalmina)
Agentes quimioterapéuticos
Antibióticos Funcionan inhibiendo la síntesis de la pared bacteriana, destruyendo la
membrana plasmática o inhibiendo la síntesis de ADN, ARN y/o proteinas.
Agentes quimioterapéuticos sintéticos
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Alexander Fleming (1928):
Observó que el hongo Penicillium notatum
impedía el crecimiento de Staphylococcus
aureus
Florey y Chain (1939): aislaron
Penicilina G
Penicillium notatum
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Foto original tomada por Fleming
Foto actual
El hongo Penicillium notatum impide el
crecimiento de Staphylococcus aureus...
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Evaluación de la eficacia
En el laboratorio se puede estudiar la susceptibilidad a
antimicrobianos que presentan bacterias aisladas desde
una muestra biológica...
La susceptibilidad a antimicrobianos, junto con la identidad
de la bacteria aislada y ciertos factores del hospedero
constituyen las bases para la elección de una terapia
antimicrobiana adecuada…
Pruebas de susceptibilidad antimicrobiana in vitro:
Test por dilución
Test por difusión
Se realizan según ciertas normas previamente estandarizadas (NCCLS)
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Concentración inhibitoria mínima (CIM)
Corresponde a la menor concentración de antimicrobiano que
inhibe el crecimiento bacteriano luego de 18 a 24 horas de
incubación.
Concentración bactericida mínima (CBM )
Corresponde a la menor concentración capaz de matar un 99,9%
la población bacteriana.
Estudio y control de microorganismos. Antibiograma por dilución
Técnica de referencia en la mayoría de los estudios clínicos de
susceptibilidad a antimicrobianos.
Entrega un resultado cuantitativo, ya que permite determinar la
concentración inhibitoria mínima (CIM).
Se puede realizar en medio líquido (dilución en caldo) o en medio sólido
(dilución en agar).
Método complejo y de alto costo.
Lectura del CIM
Dilución seriada en caldo
CIM
Estudio y control de microorganismos.
Antibiograma por difusión
“(Técnica de Kirby-Bauer)”
Es el método más usado…
Es práctico y sencillo de realizar e
implementar…
Permite analizar un gran número
de antibióticos al mismo tiempo y
bajo las mismas condiciones…
Entrega un resultado cualitativo…
(bacteria sensible o resistente)
Estudio y control de microorganismos.
Antibiograma por difusión
“(Técnica de Kirby-Bauer)”
Análisis de
varios antibióticos
en un mismo ensayo
Resistente
(No hay halo de
inhibición)
Sensible
(Presencia de halos
de inhibición)
Estudio y control de microorganismos.
Antibiograma por difusión
Discos con
antibióticos
Halos de inhibición
Estudio y control de microorganismos.
Factores que afectan a la actividad antibacteriana
pH del medio de cultivo: algunos antibióticos son activos a pH ácido
(nitrofurantoína) y otros lo son a pH alcalino (aminoglucósidos).
Componentes del medio de cultivo: pueden antagonizar al antibiótico
(extracto de levadura antagoniza a sulfonamidas).
Estabilidad del medicamento: algunos antibióticos se inactivan a la
temperatura de cultivo (clortetraciclina, en menor grado penicilina)
Tamaño del inóculo: si hay muchas bacterias, la susceptibilidad es menor y
pueden aparecer mutantes resistentes.
Tiempo de incubación: si es muy breve los m.o. no mueren; si es muy
largo, pueden aparecer mutantes resistentes o inactivarse el medicamento.
Estudio y control de microorganismos.
Actividad antimicrobiana “in vivo”
Es mucho más compleja, ya que hay que considerar la
relación con el hospedero…
HOSPEDERO
ANTIBIÓTICO
MICROORGANISMO
La biotecnología microbiana
Otros usos
Un microorganismo para ser útil en procesos biotecnológicos
debe tener las siguientes características:
1.
2.
3.
4.
Crecer rápidamente
Poder ser cultivado a gran escala
Producir sustancias útiles
Hacerlo en poco tiempo
PRODUCTOS DE LAS CÉLULAS
Alcohol
Enzimas
Antibióticos
Aditivos
alimenticios
Productos
químicos
La biotecnología microbiana
Producción de antibióticos
Fermentaciones
Control de plagas
Ingeniería genética
Alimentación
La biotecnología microbiana
Producción de antibióticos, vitaminas, aminoácidos y enzimas
Producción de antibióticos
10. Obtención de viales.
1. Obtención de muestras
bacterianas en la naturaleza.
9. Producción industrial.
2. Selección de colonias.
8. Test de toxicidad.
3. Cultivo puro de una colonia.
4. Determinación del efecto de
esta bacteria sobre otras.
5. Inhibición del crecimiento bacteriano.
6. Tanque de fermentación
para producir antibiótico.
7. Determinación de
la concentración
del antibiótico.
La biotecnología microbiana
Fermentciones y alimentación
Tanques de fermentación
para elaborar cerveza
Elaboración de queso
Emmental
Control sanitario
de alimentos
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Elaboración de vino, cerveza, pan, queso y otros lácteos
Fermentación alcohólica
Glucosa (C6H12O6)  2 etanol (CH3–CH2OH) + 2 CO2
Fermentación láctica
Lactosa (C12H22O11) + H2O  2 glucosa (C6H12O6)  4 ácido láctico (CH3–CHOH–COOH)
Fermentación acética
2 etanol (CH3–CH2OH) + 2 O2  2 ácido acético (CH3–COOH) + 2 H2O
FERMENTADOR
INDUSTRIAL
VER FERMENTADOR
DE FRINGS
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentador industrial
Motor
Controlador
de pH
Vapor
Cubierta de
enfriamiento
Escape
Caldo de cultivo
Impulsores
Salida de agua
Entrada de agua
Aire estéril
Cosecha
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentador de Frings
Entrada de alcohol
etílico diluido
Goteo del medio
de cultivo
Virutas con bacterias
que transforman el
alcohol etílico en
ácido acético
Ácido acético en
la cámara de
recolección
Grifo de recolección
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación acética
La fermentación acética es la fermentación bacteriana
por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que
transforma el alcohol en ácido acético.
La fermentación acética del vino proporciona el vinagre
debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de
los fallos del vino.
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica
Mediante este tipo de proceso se forman productos como vino, pan o cerveza.
Producción de vino
Saccharomyces Cerevisiae
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica
Producción de cava y champan
Se sigue el llamado méthode champenoise, en el
que se hace una primera fermentación alcohólica
igual que en el vino, y una segunda fermentación
en botella tras la adición de azucares. El CO2
generado en esta segunda fermentación es el
origen de las burbujas del cava
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica
Producción de cerveza
Se obtiene a partir de la fermentación de granos
germinados de cereales (cebada, arroz o maíz. Esto es
lo que se llama malteado (se generan amilasas que
convierten el almidón en glucosa).
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica
Producción de pan
Se obtiene de la fermentación de
una masa formada por harina de
cereales, agua, sal y levaduras.
Una vez fermentada, la masa se
mete en un horno
El CO2 queda atrapado en la masa
cocida, formando las burbujas que
se ven en la miga del pan.
El etanol formado, se volatiliza en
la cocción.
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación láctica
La leche se convierte en ácido
láctico por la acción de bacterias de
los géneros Lactobacillus,
Streptococcus o Leuconostoc.
Como resultado de la formación del
ácido, baja el pH, y las proteínas
se desnaturalizan y precipitan
formando la cuajada, a partir de la
que se elaboran los diferentes
productos lácteos: queso, yogur,
kefir…
La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación láctica
Producción de queso
La cuajada sufre una nueva fermentación a cargo de bacterias y hongos
que hidrolizan las proteínas hasta dar primero aminoácidos y luego aminas,
ácidos grasos y amoniaco.
Producción de mantequilla
Los Streptococcus de la leche la agrian, generando la nata, a partir de la cual
se genera la mantequilla
Producción de yogur
La fermentación de la lactosa (el azúcar de la leche) en ácido láctico
mediante bacterias. El incremento de ácidez evita la proliferación de
bacterias patógenas
La biotecnología microbiana
Control de plagas
VOLVER
Maíz
Spodoptera frugiperda
La biotecnología microbiana
Ingeniería genética
Endonucleasa de restricción
Plásmido
receptor
ADN donante
Consiste en introducir genes de
interés en bacterias, cultivarlas a
gran escala, obtener la proteína
correspondiente y purificarla.
También se pueden obtener de
esta
forma
organismos
transgénicos.
Plásmido
recombinante
Incorporación
del plásmido
recombinante
Clonación
bacteriana
La biotecnología microbiana
Ingeniería genética
Sustancias obtenidas por ingeniería
genética
Fármacos
Vacunas
Otros usos
Hormonas
Proteínas
Esteroides
Vitaminas
Plaguicidas
Como
fuente de
alimentos
No son tóxicos
para el ser
humano o los
animales
La biotecnología microbiana
Otros usos
Depuración de aguas residuales
Biorremediación
• Proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas
derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por
contaminantes a su condición natural.
Biodegradación
• Como en el petróleo
Biocombustibles
La biotecnología microbiana
Otros usos
TANQUES CERRADOS
Digestión enzimática de
la MO por fermentación.
Después de varios
procesos se obtiene
metano
TANQUES ABIERTOS
Proceso aerobio
(oxidación de la MO)
Se obtiene CO2,NH3, e
iones nitrato, sulfato y
fosfato
Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del carbono
Ciclo del azufre
Ciclo del nitrógeno
Ciclo del fósforo
Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del carbono
Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del azufre
Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del nitrógeno
Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del fósforo