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IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato BLOQUE IV. ¿CÓMO SON Y CÓMO FUNCIONAN LOS MICROORGANISMOS? MICROBIOLOGÍA. CONTENIDOS 1. Concepto de microorganismo. 2. Criterios de clasificación de los microorganismos. 3. Virus. 3.1. Composición y estructura. 3.2. Fisiología. Ciclos de vida: lítico y lisogénico. 4. Bacterias. 4.1. Características estructurales. 4.2. Fisiología bacteriana. 5. Microorganismos eucarióticos. 5.1. Principales características de algas, hongos y protozoos. 6. Relaciones entre los microorganismos y la especie humana. 6.1. Beneficiosas. 6.2. Perjudiciales: enfermedades producidas por microorganismos en la especie humana, animales y plantas. 7. Importancia de los microorganismos en investigación e industria. 8. Biotecnología: concepto y aplicaciones. ORIENTACIONES 1. Conocer el concepto de microorganismo y analizar la diversidad de este grupo biológico. 2. Establecer criterios sencillos que permitan realizar una clasificación de los microorganismos diferenciando los distintos grupos, por ejemplo, presencia o no de estructura celular y tipo de ésta, según sea procariótica o eucariótica. 3. Destacar la composición y estructura de los virus, aludiendo a que presentan un solo tipo de ácido nucleico. 4. Describir el ciclo lítico y el ciclo lisogénico de los virus y establecer las principales diferencias que existen entre ambos. 5. Plantear la controversia de la naturaleza viva o no viva de los virus. 6. Describir los principales componentes de la célula procariótica. 7. Destacar que las bacterias se reproducen por bipartición. 8. Realizar una clasificación de las bacterias en función de la fuente de carbono, de energía y de protones y electrones, destacando su diversidad metabólica. 9. Conocer las principales características estructurales y de nutrición de algas, hongos y protozoos. 10. Conocer algunas relaciones que pueden establecerse entre los microorganismos y la especie humana distinguiendo entre inocuas, beneficiosas y perjudiciales e ilustrarlas con algún ejemplo relevante. 11. Reconocer la importancia de los microorganismos en investigación y en numerosos procesos industriales, por ejemplo: pan, derivados lácteos, vino, cerveza, etc. 12. Establecer el concepto de biotecnología. 13. Conocer algunos ejemplos de aplicaciones biotecnológicas, por ejemplo, producción de: insulina, antibióticos, hormona del crecimiento, etc. Bloque IV 1 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato OBSERVACIONES 1. Es conveniente resaltar que la definición de microorganismo se hace en razón de su tamaño y que los grupos que se incluyen bajo este término presentan una gran heterogeneidad. 2. Al establecer distintos grupos de microorganismos, deben destacarse las diferencias que permitan su identificación. Para ello, se recomienda la utilización de imágenes que posibiliten la distinción, por ejemplo, entre una bacteria y un alga o un protozoo. Se sugiere que de las formas acelulares se elijan imágenes de adenovirus, VMT, VIH y bacteriófagos; del Reino Monera se elijan imágenes de cocos, bacilos, vibrios y espiroquetas; del Reino Protoctista, imágenes de algas unicelulares flageladas, diatomeas, paramecios, vorticelas y amebas; y del Reino Fungi, imágenes de levaduras (Saccharomyces cerevisiae) y mohos (Penicillium, Rhizopus). No se trata, por tanto, de discutir pormenorizadamente la estructura y fisiología de dichos grupos. 3. Con relación a los virus debe destacarse su carácter acelular. Al exponer la composición y estructura general de los virus, es aconsejable utilizar como ejemplos el bacteriófago T4 y el virus del SIDA. El ciclo de vida de un virus puede ejemplificarse mediante los ciclos del fago l y del virus del SIDA. 4. El ciclo del virus del SIDA deberá recoger los siguientes apartados: adsorción, penetración, transcripción inversa, inserción en el ADN, transcripción del ARN vírico, traducción de proteínas víricas, ensamblaje del virus y liberación (gemación). No es necesario el conocimiento exhaustivo de los procesos moleculares implicados en el desarrollo del ciclo. 5. El alumnado debe conocer las relaciones que establecen los microorganismos con el ser humano, así como con las plantas, los animales y el medio ambiente. Este conocimiento debe ilustrarse con ejemplos sin que ello implique necesariamente el conocimiento del nombre científico del microorganismo en cuestión. Bloque IV 2 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 1. CONCEPTO DE MICROORGANISMO Entendemos por microorganismo todo aquel ser vivo que, por su reducido tamaño, sólo es observable mediante la utilización de microscopios. Predominantemente son unicelulares, si bien pueden formar asociaciones de tipo colonial. El concepto anterior es muy heterogéneo, tanto por el tamaño y la organización que presentan los seres considerados microorganismos como por sus características funcionales y evolutivas así como por la variedad de medios que habitan. Por ello dentro del concepto de microorganismo se incluyen organismos pertenecientes a diversos grupos taxonómicos y algunos otros que, aunque no son verdaderos seres vivos, influyen decisivamente en la vida de estos. 2. CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Los microorganismos constituyen un grupo muy heterogéneo, que no tiene categoría taxonómica. De hecho, encontramos organismos pertenecientes a varios reinos: Moneras, donde se incluyen las bacterias y cianobacterias Protoctistas, que agrupa a las algas (unicelulares y pluricelulares) y a los protozoos Hongos, donde se sitúan las levaduras y los mohos También existen ciertas formas denominadas formas acelulares, por carecer de organización celular, con unas características tan especiales que no pueden ser considerados como seres vivos y no pueden incluirse en alguno de los cinco Reinos, pero tampoco pueden considerarse como seres inertes. Son los virus, viroides y priones. Podemos llevar a cabo una CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS atendiendo a una serie de criterios como la presencia o no de estructura celular, el tipo de organización celular (procariota o eucariota), el tipo de nutrición (autótrofa o heterótrofa)… Sin estructura celular. Son las formas acelulares: virus, viroides y priones Con estructura celular. Son las formas celulares. Con organización celular procariota: bacterias Con organización celular eucariota - Nutrición autótrofa y fotosintéticos: algas - Nutrición heterótrofa: protozoos y hongos Microorganismos Tamaño medio Organización Nutrición Virus, viroides y priones 0.1 μm Acelular Parásitos obligados Bacterias 10 μm Unicelulares procariotas Autótrofas heterótrofas Algas > 250 μm Unicelulares o pluricelulares eucariotas Autótrofos fotosintéticos Protozoos > 250 μm Unicelulares eucariotas Heterótrofos Hongos > 250 μm Unicelulares o pluricelulares eucariotas Heterótrofos Bloque IV 3 Reino MONERA PROTOCTISTA HONGOS ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 3. VIRUS Antes de profundizar en los virus vamos a indicar las características comunes de los tres tipos de formas acelulares: Tamaño menor que el de una célula y una organización mucho más sencilla No realizan funciones de nutrición ni de relación Aunque son capaces de reproducirse, sólo pueden hacerlo en el interior de una célula huésped y utilizando las estructuras de la misma. Por todo ello, las formas acelulares no pueden ser consideradas seres vivos, pero sí parásitos intracelulares obligados. Los TIPOS DE FORMAS ACELULARES SON: Virus. Formas acelulares microscópicas constituidas por un ácido nucleico (ADN o ARN) rodeado de una estructura proteica denominada cápsida Viroides. Agentes infecciosos más pequeños que se conocen. Están formados por pequeñas moléculas de ARN monocatenario circular desnudo (sin recubrimiento proteico). Son parásitos exclusivos de plantas superiores, que producen grandes pérdidas económicas. Fueron descubiertos por Diener, en tubérculos de patatas infectados. Suelen transmitirse por insectos o material agrícola contaminado. Priones. Son partículas proteicas, sin ningún tipo de ácido nucleico, causantes de enfermedades letales en los mamíferos, denominadas encefalopatías espongiformes. Se llaman así porque producen en el cerebro abundantes oquedades, como el tristemente famoso “mal de las vacas locas”. Se trata de enfermedades cuyo origen es doble: unas son heredadas y otras son contraídas por infección. Origen hereditario: las proteínas priónicas patógenas son variantes de proteínas normales, cuya función no se conoce y proceden de una mutación puntual en el gen correspondiente, que determina el cambio de un solo aa por otro, alterándose la conformación de la proteína y la transforma en patógena. Esto no explica el origen enfermedades priónicas por transmisión de unos individuos a otros. Transmisión de unos individuos a otros: las proteínas priónicas pueden multiplicarse en las células y producir la enfermedad sin la ayuda de ácidos nucleicos (en contra del Dogma Central de la Biología Molecular). La hipótesis más aceptada sobre su mecanismo de multiplicación considera que cuando una proteína priónica patológica entra en contacto con una normal, induce cambios en su plegamiento que la transforman en patológica. Las nuevas proteínas patológicas, a su vez, atacan otras moléculas normales y así sucesivamente, hasta que la proteína patológica acumulada alcanza niveles peligrosos, invadiendo el cerebro. 3.1. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS VIRUS Los virus son formas acelulares microscópicas con las siguientes características: a) Carecen de organización celular. Su nivel de organización se encuentra en la frontera entre lo inerte y lo vivo. b) Carecen de metabolismo propio c) No se relacionan d) Para reproducirse o replicarse utilizan la maquinaria metabólica de la célula a la que parasitan. Estas características hace que los virus, al igual que las otras formas acelulares, no sean considerados seres vivos. Su simplicidad estructural y funcional los convierten en parásitos intracelulares obligados, tanto de bacterias (bacteriófagos o fagos) como de células animales y vegetales. Bloque IV 4 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato En su composición y estructura diferenciamos los siguientes componentes: 1. Genoma vírico o ácido nucleico. Componente esencial de los virus. Puede ser ADN o ARN. ADN monocatenario, ADN bicatenario (fago T4), ARN monocatenario (retrovirus, como los virus de la gripe y del SIDA) o ARN bicatenario (reovirus). 2. Cápsida. Rodea al ácido nucleico y está formada por la unión de unas subunidades proteicas denominadas capsómeros. Diferenciamos tres tipos de cápsidas, según la forma de asociarse los capsómeros: Icosaédrica, de aspecto globoso (forma de icosaedro, poliedro regular de 20 caras triangulares). Ej. Adenovirus, virus de la poliomelitis y virus del herpes labial. Helicoidal, de aspecto cilíndrico o alargado. Ej. virus del mosaico del tabaco. Compleja, que resulta de combinar las dos anteriores. Ej. mayoría de bacteriófagos. Diferenciamos tres partes: - Cabeza: cápsida icoasédrica en cuyo interior está el ácido nucleico. - Cola: tubo hueco por donde pasa el AN durante la infección celular. - Placa basal: con fibras caudales (para unirse químicamente a la pared celular bacteriana) y espinas basales o patas (que clavan en la pared para unirse mecánicamente a la célula). 3. Envoltura membranosa externa. Existe un grupo de virus como los que producen la viruela, la gripe o el SIDA poseen una envoltura de tipo membranosa alrededor de la cápsida. Esta membrana está constituida por una bicapa lipídica (procedente de la célula hospedadora) y por proteínas específicas del virus (insertadas en la bicapa y codificadas por el genoma vírico). Algunas de estas glucoproteínas sobresalen de la envoltura y forman estructuras conocidas como espículas. La envoltura vírica está implicada en el reconocimiento entre la partícula vírica y su célula hospedadora. Bloque IV 5 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 3.2. FISIOLOGÍA. CICLOS DE VIDA: LÍTICO Y LISOGÉNICO Los virus carecen de funciones de nutrición pues no requieren energía para desarrollar ninguna actividad ni materia para crecer. Así mismo carecen de funciones de relación pues el contacto con las células hospedadoras es al azar. Las funciones de reproducción son las que constituyen el llamado ciclo vital. El genoma de un virus contiene un escaso número de genes, suficiente para inhibir la expresión génica de la célula hospedadora y obligarla a transcribir y traducir su breve pero virulento mensaje. Cuando un virus se pone en contacto con una célula que presente receptores de membrana específicos para él, se fija a su superficie e introduce su ácido nucleico (AN) dentro de esta. A partir de aquí, pueden ocurrir dos cosas: ciclo lítico y ciclo lisogénico. Estudiaremos el ciclo vital de un bacteriófago y el de un retrovirus. A. CICLO LÍTICO Cuando el virus entra en la célula hospedadora, utiliza la maquinaria enzimática de la célula y genera nuevas partículas víricas. Si el virus es ADN, se duplica dando lugar a muchas copias de su ADN, se transcribe y traduce originando proteínas de la cápsida, y al final ADN y proteínas se ensamblan originándose muchos virus que salen de la célula. Si el virus es ARN, previo a todos los pasos anteriores, mediante una enzima vírica denominada transcriptasa inversa, pasa el ARN a ADN. Ciclo vital de un bacteriófago a) Fase de fijación o adsorción. El bacteriófago se fija, primero mediante las fibras caudales y después clavando las espinas basales, en la pared bacteriana. b) Fase de penetración. Mediante la acción de enzimas lisozimas, situadas en su placa basal, perfora la pared celular y luego contrae su vaina e introduce el eje tubular de modo que el ADN del virus pasa al citoplasma bacteriano. c) Fase de eclipse. Durante este tiempo no se observan virus en el interior de la célula infectada. Es en esta fase cuando el ácido nucleico del virus, utilizando la maquinaria metabólica de la bacteria, se reproduce, sintetizándose nuevas moléculas de dicho ácido nucleico y moléculas proteicas que constituirán los capsómeros del virus. d) Fase de ensamblaje. Los capsómeros se reúnen formando la cápsida, mientras que el ácido nucleico se repliega y penetra en la misma. Bloque IV 6 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato e) Fase de lisis o liberación. Es la fase final, los nuevos virus formados salen al exterior debido a la acción de una enzima, la endolisina, que induce la lisis de la bacteria. Esos virus ya son capaces de infectar a otra bacteria. Ciclo vital de un retrovirus Son virus que presentan envoltura membranosa con glucoproteínas, cápsida y una molécula de ARN asociada a una enzima transcriptasa inversa. Es el caso del virus de la gripe o el del SIDA. Su ciclo vital también consta de cinco fases: a) Fase de adsorción. Las glucoproteínas de la envoltura entran en contacto con receptores de la membrana celular e inducen a la célula a fagocitar al virus que pasa al interior celular dentro de un fagosoma. b) Fase de penetración. Las membranas del fagosoma y del virus se fusionan, pasando la cápsida, con el ARN en su interior, al citoplasma. Posteriormente el ARN vírico se libera de la cápsida. c) Fase de eclipse. En ella no se aprecian virus en el interior de la célula, pero el metabolismo celular es dirigido por el ARN vírico. Dicho ARN, gracias a la acción de la transcriptasa inversa, da lugar a una copia de ADN. A partir de esta se produce la transcripción que dará lugar a nuevas moléculas de ARN vírico, y la traducción que dará lugar a nuevas moléculas de proteínas víricas, a la transcriptasa inversa y a las glucoproteínas de la envoltura del virus. d) Fase de ensamblaje. Se produce la formación de la cápsida a la vez que el ARN vírico, asociado a la transcriptasa inversa, se introduce en su interior. Los virus ya formados migran hacia la superficie celular. e) Fase de liberación. Los virus inducen la aparición de vesículas en la membrana celular, un proceso de gemación, y se introducen en ellas. Posteriormente se separan de la célula huésped quedando rodeados de la parte de membrana que posee glucoproteínas víricas. En este caso no se produce la lisis de la célula. Bloque IV 7 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato B. CICLO LISOGÉNICO Existen casos en los que los virus al infectar a la célula huésped no la destruyen (ciclo lítico), sino que el ácido nucleico vírico se incorpora al ADN celular. A estos virus se les denomina provirus, virus atenuados o profagos y a la célula receptora célula lisógena. El ácido nucleico vírico o profago puede volver a su estado virulento o lítico si se le somete a estímulos adecuados (rayos X, rayos ultravioletas...) que logran que el provirus abandone el genoma de la célula y prolifere rápidamente originando su lisis. A este proceso se denomina inducción. Mientras la célula posea el profago, será inmune frente a las infecciones de virus de la misma especie que aquel. Esta inmunidad se heredará de generación en generación, ya que el profago se hereda junto con el ADN celular. Actualmente se cree que el enriquecimiento genético de los seres vivos, que puede dar lugar a procesos en la evolución de las especies, puede deberse en parte al transporte de genes realizado por los virus. Los profagos pueden originar en la célula huésped una serie de trastornos como: inducir mutaciones, en las células animales pueden originar transformaciones cancerosas, en bacterias pueden introducir genes de la bacteria de procedencia y dar lugar a la transducción apareciendo nuevos caracteres como la resistencia a los antibióticos. 4. BACTERIAS 4.1. CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES Las bacterias son un grupo abundante y heterogéneo de microorganismos unicelulares procariotas, adaptados a vivir en cualquier ambiente, terrestre o acuático. Recordemos que las principales características de las células procariotas son: Pequeño tamaño (diámetro = 1 - 10 µm) y con una estructura más sencilla. Presentar 2 componentes fundamentales: membrana plasmática y citoplasma. Con una pared celular por fuera de la membrana plasmática. Sin compartimentación celular u orgánulos membranosos. Sin núcleo definido ya que el material genético (MG) se encuentra libre en el citoplasma, es decir, no está separado del citoplasma por una membrana. Por ello se dice que son células que carecen de núcleo verdadero. FORMA Y TAMAÑO Las bacterias se clasifican en cocos, bacilos, espirilos y vibrios (forma de coma). a) Bacilos. Son bacterias alargadas en forma de bastón, que suelen asociarse en cadenas lineales. b) Espirilos. Bacterias de aspecto espiral, si son rígidas reciben el nombre de espiroquetas. c) Vibrios. Su forma es de coma, también pueden llamarse vibriones. d) Cocos. Son bacterias esféricas que pueden presentarse aisladas aunque suelen presentarse asociadas de dos en dos, diplococos, en cadenas lineales, estreptococos, o en racimos, estafilococos o sarcinas. Bloque IV 8 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Es de suponer que las bacterias fueron los primeros seres vivos que poblaron la Tierra, se han detectado individuos fósiles con una antigüedad de 3400 m.a. Durante un largo periodo de tiempo, de unos 2000 millones de años, las bacterias fueron los únicos pobladores de nuestro planeta y, con su maquinaria química rudimentaria, colonizaron un mundo para nosotros inhabitable. Algunos de estos organismos unicelulares aprendieron a utilizar la energía del Sol para fabricar su alimento por medio de la fotosíntesis. Sus descendientes son organismos dotados de una excepcional capacidad de sobrevivir en los más diversos ambientes, desde las fuentes termales a los icebergs y desde el interior del organismo humano hasta el fondo del mar. En la actualidad se conocen unas 5000 especies bacterianas. MORFOLOGÍA Bloque IV Cápsula bacteriana (puede faltar). Compuesta por polisacáridosácido (urónico, ácido glucurónico, Nacetil-glucosamina) y otras no glucídicas como el Dglutámico. Desempeña funciones relacionadas con la resistencia a la desecación, resistencia al ataque de células fagocíticas y anticuerpos, por lo que las bacterias con cápsula suelen ser más patógenas. Pared bacteriana. Envoltura rígida exterior a la membrana, formada por péptidoglucanos (mureina). Sus funciones son dar forma a la bacteria y controlar la presión osmótica (la cél procariota se encuentra en un medio hipotónico). También actúa como membrana semipermeable al paso de iones. Los antibióticos actúan inhibiendo la síntesis de mureina, y por ello interrumpen el crecimiento bacteriano. La pared presenta diferente estructura según el tipo de bacterias. Existen dos tipos básicos, las denominadas bacterias Gram-negativas y Grampositivas. Las primeras presentan una pared rica en lípidos que, cuando se observa al microscopio electrónico, muestra una estructura biestratificada, con una capa basal de peptidoglucanos sobre la cual hay una doble capa lipídica que contiene gran número de proteínas, la mayoría enzimáticas, y glucolípidos. Esta capa 9 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Bloque IV Biología 2º Bachillerato recibe el nombre de membrana externa. Las segundas poseen una pared con escasos lípidos y al microscopio electrónico se muestra espesa y de estructura aparentemente amorfa. Membrana plasmática. Delimita el citoplasma celular y su función es regular los intercambios de sustancias entre el exterior e interior celular. Responde al modelo de bicapa lipídica de las células eucariotas, pero sin colesterol. Se caracteriza por poseer unas invaginaciones de forma variable, llamadas mesosomas, que aumentan la superficie celular y presentan enzimas que intervienen en diferentes procesos como la respiración celular, duplicación del ADN (ADN polimerasa), fotosíntesis, regular el crecimiento de la membrana plasmática, asimilar nitrógeno, nitratos y nitritos (bacterias nitrificantes)… Citosol. Con ribosomas 70 s (semejantes a los de mitocondrias y cloroplastos), inclusiones o gránulos con sustancias de reserva y material genético. Nucleoide. Zona donde se encuentra el MG no rodeado de membrana. Formado por un solo cromosoma o molécula de ADN bicatenario circular (semejante al de las mitocondrias y cloroplastos) que suele estar unido a los mesosomas.. Las bacterias suelen presentar plásmidos, pequeñas moléculas circulares de ADN que confieren propiedades específicas como la resistencia a antibióticos. Su estructura es de doble hélice asociada a proteínas básicas no histonas. Sus funciones son mantener y conservar la información genética de la bacteria y dirigir su funcionamiento. Flagelo bacteriano. Prolongación filiforme de longitud variable, que sirve para el movimiento de la célula en medio líquido. Están constituidos por una proteína denominada flagelina. Estructuralmente presentan un filamento flagelar que se une, mediante un codo o gancho, al gránulo o corpúsculo basal. Éste está formado por cuatro discos, dos a nivel de la pared celular (uno interno y otro externo) y dos a nivel de la membrana plasmática (uno interno y otro externo), unidos por un eje central al que se une el flagelo mediante el gancho. Pelos bacterianos o fimbrias. Filamentos superficiales, abundantes y huecos. Su misión es la fijación a los sustratos, intercambio de moléculas y de información genética, participando en el proceso de apareamiento de las bacterias o conjugación. 10 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 4.2. FISIOLOGÍA BACTERIANA En este punto estudiaremos las tres funciones vitales: nutrición, reproducción y relación. Función de nutrición Dentro de las bacterias encontramos especies que pueden llevar a cabo todos los tipos de metabolismo existentes. En algunos casos se observa que poseen dos tipos de metabolismo diferentes que utilizan, dependiendo de la abundancia nutritiva del medio, de un modo facultativo. En función del tipo de metabolismo que realizan se clasifican en (Según la fuente de carbono): Bacterias heterótrofas, aquellas que necesitan materia orgánica del medio por lo que se nutren de moléculas inorgánicas y orgánicas. Bacterias autótrofas, aquellas que se nutren de materia inorgánica prácticamente sin contenido energético (CO2, O2, agua y sales minerales) ya que son capaces de sintetizar materia orgánica a partir de dicha materia inorgánica. Según la fuente de energía diferenciamos dos tipos de bacterias autótrofas: - Fotosintéticas, obtienen la energía de la luz solar, transformándola en energía química (ATP). - Quimiosintéticas, obtienen la energía de las reacciones de oxidorreducción (utilizan como sustrato moléculas inorgánicas reducidas). Por tanto, las bacterias presentan todas las formas de nutrición existentes: Fotoautótrofas. Como las bacterias purpúreas del azufre. Fotoheterótrofas. Como las bacterias purpúreas no sulfúreas. Quimioautótrofas. Como las bacterias incoloras del azufre. Quimioheterótrofas. La mayor parte de las especies bacterianas lo son. Las bacterias Heterótrofas saprófitas y los hongos saprófitos forman los organismos descomponedores de la materia orgánica del suelo y del agua, transformándola en materia inorgánica, que es utilizada por las bacterias quimiosintéticas, que al oxidarla (para obtener la energía química con la que fabricar materia orgánica) la transforman en agua y sales minerales que pueden utilizar ya los organismos fotosintéticos (vegetales, algas y bacterias). Por tanto, son imprescindibles para que tengan lugar los ciclos biogeoquímicos de la materia en el ecosistema (ciclos del C, del N, del S y del P). Bloque IV 11 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Función de relación. Las bacterias son capaces de responder a estímulos mediante modificaciones de su comportamiento o de su actividad metabólica. Éstas respuestas pueden ser dinámicas (implican movimiento de acercamiento o alejamiento respecto a la fuente de estímulo) o estáticas (frente a condiciones adversas del medio) como la formación de quistes y la formación de esporas. Una respuesta muy característica es la formación de esporas o formas de resistencia. Consiste en un proceso que se desarrolla como respuesta a determinadas condiciones adversas como la carencia de alimento. Cuando ocurre las células bacterianas protegen su ADN y disminuyen su metabolismo. Estas esporas que se desarrollan dentro de la célula también reciben el nombre de endosporas. Soportan condiciones de falta de humedad, temperaturas del orden de los 80 °C, la acción de agentes químicos y de las radiaciones, durante largos periodos de tiempo. Cuando las condiciones vuelven a ser las adecuadas, la espora germina dando lugar a la bacteria con todas sus funciones. Otro tipo de respuestas a los estímulos externos son los movimientos (taxias). Función de reproducción Las bacterias se reproducen asexualmente por división simple o bipartición, que tiene lugar en las siguientes etapas: Duplicación del ADN o cromosoma bacteriano (ADN polimerasa de los mesosomas). Se forma un nuevo mesosoma. Se separan los mesosomas y cada uno arrastra a un cromosoma bacteriano. Se forman los tabiques de separación. Como resultado se forman 2 células hijas, cada una con una réplica exacta del cromosoma de la célula madre. La división es muy rápida, cada 20 minutos, por lo que una sola bacteria en 14 horas puede dar lugar a un clon de 250.000 células. Con este tipo de reproducción, reproducción asexual, la única posibilidad que tendría una bacteria de adquirir nueva información genética sería por mutación. Sin embargo, las bacterias poseen también unos mecanismos mediante los cuales intercambian fragmentos de ADN con bacterias de cepas o razas diferentes, y se denominan procesos parasexuales, en los cuales se producen fenómenos de recombinación genética. Son los siguientes: a) Transformación. Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria capta fragmentos de ADN de otra que, previa autodestrucción, quedan libres en el medio. b) Transducción. En este caso es un virus bacteriófago el que transmite el fragmento de ADN de una bacteria a otra. c) Conjugación. Se puede definir como el proceso parasexual mediante el cual una bacteria donadora transmite, a través de las fimbrias o pelos, un fragmento de su ADN a otra bacteria receptora. Las bacterias donadoras poseen, además del cromosoma bacteriano, pequeñas cadenas de ADN, circulares y de doble hélice, denominadas episomas o factores F. Existen dos tipos de bacterias donadoras, las denominadas F+ y las Hfr (alta frecuencia de recombinación), las receptoras son F-. Las F+ transfieren episomas durante la conjugación mientras que las Hfr pueden transferir su cromosoma completo (para ello deben duplicarlo previamente). En ambos casos la transferencia de material genético se lleva a cabo a través de una fimbria. El ADN transferido hace que la bacteria receptora se convierta en F+ o, en el caso de que la bacteria donadora sea Hfr, se recombina con el ADN de la bacteria receptora en la que aparecen caracteres de la Hfr. Bloque IV 12 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Bloque IV Biología 2º Bachillerato 13 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Estos mecanismos explican la variabilidad que pueden presentar algunas bacterias al habitar junto a otras. Un ejemplo es la resistencia a antibióticos que adquieren bacterias patógenas al convivir en el intestino con otras bacterias que son resistentes a la acción de dichos antibióticos. 5. MICROORGANISMOS EUCARIÓTICOS PROTOZOOS Son microorganismos constituidos por una sola célula eucariótica de tipo animal, con nutrición heterótrofa. Su tipo de reproducción puede ser sexual o asexual. En el primer caso lo llevan a cabo mediante fusión de los núcleos (cariogamia) que puede ir asociada o no a la fusión del citoplasma celular. En el segundo caso la llevan a cabo por bipartición, gemación o división múltiple (esporulación). Pueden vivir en medios ricos en agua, de todo tipo, si bien algunos de ellos viven en simbiosis con otras especies, como Trichonympha sp., que vive en el tubo digestivo de las termitas a las que ayuda a digerir la celulosa, y muchos son parásitos obligados productores de enfermedades como ocurre con Plasmodium sp., productor del paludismo o la malaria; Toxoplasma gondii, productor de la toxoplasmosis; Entamoeba histolítica productora de la disentería amebiana; Tripanosoma gambiense productor de la enfermedad del sueño, etc. Algunos son de vida libre como ocurre con Paramecium sp. En su estructura pueden presentar cilios o flagelos o moverse simplemente mediante la emisión de pseudópodos. Se clasifican en función de su forma de locomoción, que puede ser mediante flagelos, cilios o pseudópodos. Paramecios (muchos cilios lo rodean) Vorticelas Amebas Tripanosoma (protozoo flagelado) ALGAS Se incluyen en este grupo organismos eucariotas de tipo vegetal, con pared celular y cloroplastos, de organización talofítica (sin verdaderos tejidos), con nutrición autótrofa fotosintética que viven en medios acuáticos. Sólo se consideran dentro de los microorganismos las algas que son unicelulares o aquellas que constituyen colonias por asociación de varias células. Bloque IV 14 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Su reproducción también puede ser asexual o sexual, en el primer caso mediante división celular, en el segundo llegan a presentar gran complejidad, con ciclos reproductores muy variados. Sus hábitats suelen ser las aguas marinas donde flotan formando el denominado fitoplancton, ocupando el primer nivel trófico de estos ecosistemas como productores. Pueden llamarse también protofitos. Algas unicelulares flageladas Diatomeas (algas unicelulares) Hay algas de gran tamaño pero sólo se consideran microorganismos las unicelulares y coloniales, que se clasifican en base a los pigmentos y sustancias que acumulan. HONGOS Se consideran microorganismos los mohos y las levaduras, los primeros son pluricelulares mientras que las segundas son unicelulares. Ambos poseen una pared celular con quitina. Los mohos son hongos de pequeño tamaño que no llegan a formar cuerpos fructíferos de gran tamaño (como las setas). Su estructura es filamentosa recibiendo los filamentos que los forman el nombre de hifas. Siempre son heterótrofos en sus tres variantes, saprófitos, parásitos o simbiontes. Los hongos saprófitos, junto con las bacterias, son los descomponedores de la materia orgánica en el ecosistema. Entre los simbiontes están las micorrizas (en las que el hongo vive en las raíces de un vegetal y sus hifas ayudan a la absorción del agua y sales minerales recibiendo a cambio los nutrientes orgánicos) y los líquenes (asociación íntima de un hongo y un alga). Los hongos parásitos producen enfermedades denominadas micosis. Su mecanismo de reproducción puede ser asexual mediante esporas o sexual por conjugación o somatogamia. Entre ellos citaremos los pertenecientes a los géneros Aspergillus y Penicillium, este último de gran historia pues fue con el que A. Fleming descubrió la penicilina. Las levaduras son hongos unicelulares cuya reproducción se lleva a cabo mediante gemación cuando es asexual, pero que presentan una reproducción de tipo sexual que conlleva la fusión de dos células haploides de distinto signo para formar un zigoto que a su vez se multiplica por mitosis. Entre las levaduras destacaremos los géneros Sacharomyces y Candida, el primero importante en la industria alimenticia y el segundo patógeno humano. Sacharomyces cerevisiae (levadura) Bloque IV 15 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Penicillium Rhizopus Podemos establecer un cuadro comparativo de las diferentes características de los microorganismos como se recoge en la figura. 6. RELACIONES ENTRE LOS MICROORGANISMOS Y LA ESPECIE HUMANA Según la relación que establezcan los microorganismos con el ser humano hablamos de microorganismos inocuos (no causan ni beneficio ni perjuicio), microorganismos beneficiosos y microorganismos perjudiciales. Debemos estudiar las relaciones de los microorganismos con la especie humana desde cinco vertientes distintas: El sector sanitario, la industria, la agricultura y ganadería, el medio ambiente y la biotecnología. 6.1. RELACIONES BENEFICIOSAS Son aquellas que producen beneficios: En el sector sanitario, la producción de medicamentos y vacunas. Ejemplo: la penicilina producida por el género Penicillium. En la industria alimenticia, la obtención de productos a partir de fermentaciones realizadas por microorganismos. Ejemplo: yogurt y queso (ferm láctica), y pan (ferm alcohólica). En la agricultura y ganadería porque los microorganismos permiten el reciclaje de la materia orgánica del suelo enriqueciéndolo en nutrientes inorgánicos. Bloque IV 16 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato En el medio ambiente Depuran y reciclan los residuos producidos y arrojados por el ser humano a su alrededor: aguas residuales, plásticos, petróleo o mareas negras… - Producen combustibles alternativos a los empleados en la actualidad (combustibles fósiles: carbón y petróleo) y con un índice de contaminación menor. - Hay que citar los líquenes, que son los primeros colonizadores del ecosistema iniciando de esta forma una sucesión ecológica. Por sus aplicaciones en la biotecnología, al obtener microorganismos transgénicos capaces de producir sustancias de interés para el ser humano. Los microorganismos simbiontes como las bacterias del intestino grueso, que producen vitamina K, y los microorganismos que se encuentran en la piel, que impiden la colonización de otras especies parásitas. - 6.2. RELACIONES PERJUDICIALES Son aquellas que no son beneficiosas como las que causan enfermedades en el ser humano, en sus cultivos o plantas y en los animales. En el sector sanitario, las causantes de enfermedades. Entendemos por enfermedad cualquier alteración del estado de salud, esto es del estado normal del individuo. Los microorganismos que originan enfermedades se denominan patógenos y pueden ser virus, bacterias, protozoos u hongos. A dichas enfermedades se les llama enfermedades infecciosas (se definen como enfermedades causadas por virus bacterias, protozoos u hongos), en las cuales diferenciamos cinco etapas: a) Fase de infección: consiste en la penetración del microorganismo en la célula huésped. b) Fase de incubación: es el tiempo desde que se produce la infección hasta que se manifiestan los síntomas de la enfermedad, varía según el agente patógeno. c) Fase aguda: tiempo durante el cual los síntomas de la enfermedad (fiebre, erupciones, tos, etc.) son evidentes. d) Fase de declive: los síntomas van despareciendo progresivamente. e) Fase de convalecencia: el paciente va recobrando la vitalidad y vuelve a su estado normal. Las enfermedades infecciosas se transmiten de dos formas, directamente desde el individuo enfermo (vía respiratoria, contacto sexual…) o indirectamente a través del agua, alimentos, material contaminado e incluso mediante un ser vivo que se llama vector, por ejemplo un insecto (es el caso del paludismo y la enfermedad de Chagas) Si el agente transmisor es material inanimado, como por ejemplo material quirúrgico, se denomina fomite y si es el agua o los alimentos recibe el nombre de vehículo de transmisión. Bloque IV 17 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato AIRE AGUA CONTACTO DIRECTO POR VECTORES difteria (Corynebacterium diphteriae), tos ferina (Bordetella pertusis), tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis), faringitis, amigdalitis y otitis (Streptococcus pyogenes) o Neumonía (Streptococcus pneumoniae). resfriados, gripe, sarampión, rubeola, parotiditis, varicela o herpes cólera (Vibrium cholerae), fiebres tifoideas (Salmonella typhi) o gastroenteritis (Eschirichia coli). Sífilis (Treponema pallidum), gonorrea (Neisseria gonorhoeae) o uretritis clamídica (Clamydia trachomatis). peste (Yersinia pestis) / pulgas, tifus exantemático (Ricketsia prowazeckii) /piojo poliomielitis, gastroenteritis vírica (enterovirus) o hepatitis infecciosa (virus de la hepatitis A). sida (VIH) o herpes genital. (virus del papiloma humano) Rabia /perros, lobos, ardillas o murciélagos. disentería amebiana (Entamoeba hystolitica). tricomoniasis (Trichomonas vaginalis). Paludismo(Plasmodium vivax) / mosquitos Enfermedad de Chagas (Trypanosoma cruzi) /triatomino Protozoos Víricas Bacterianas ENFERMEDADES MÁS IMPORTANTES SEGÚN SU MEDIO DE TRANSMISIÓN Hongos Pie de atleta, micosis Meningitis El 80% de las meningitis está causada por virus (enterovirus virus coxsackie y echovirus, adenovirus, el virus de la gripe, el virus herpes, el de la varicela, el de las paperas, sarampión…), entre el 15 y el 20% por bacterias (Streptococcus pneumoniae y Neisseria meningitidis)., el resto está originada por intoxicaciones, hongos (Candida, Histoplasma, Coccidioides y Cryptococcus). Tétanos Clostridium tetani. Se contrae a través de heridas abiertas por contacto con tierra, estiércol contaminado; por cortes o penetración de algún objeto oxidado como: clavos, anzuelos, cuchillas oxidadas; puede ser por mordeduras de perros, etc. Toxoplasmosis Se produce por el protozoo Toxoplasma gondii que se contagia a traves de contacto con alimentos contaminados o felinos (gato). En la agricultura y ganadería porque los microorganismos pueden producir plagas y enfermedades. Bloque IV Las enfermedades producidas en las plantas son causadas por bacterias, virus u hongos, originando en las plantas agallas o tumores, manchas en las hojas, enanismos, retraso en la maduración de los frutos… Las enfermedades producidas en los animales son causadas por bacterias, virus o protozoos. Es el caso de la brucelosis (enfermedad bacteriana que afecta a cabras), muermo (enf bacteriana que afecta al ganado equino), peste porcina (enf virásica), coccidiosis (enf producida por un protozoo y que afecta a las gallinas)… 18 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 7. IMPORTANCIA DE LOS MICROORGANISMOS EN INVESTIGACIÓN E INDUSTRIA IMPORTANCIA EN INVESTIGACIÓN Los microorganismos tienen una gran importancia en investigación e industria. La utilización de los microorganismos, principalmente las bacterias, en investigación se debe a una serie de características que poseen: Su pequeño tamaño y fácil manipulación Se cultivan fácilmente en el laboratorio en medios de cultivo sencillos (con unas pocas sales y una fuente de carbono como la glucosa) Se reproducen una gran velocidad (las bacterias se dividen cada 20 minutos) Son susceptibles de manipulación genética Todo ello ha permitido descubrir y estudiar a fondo una gran variedad de procesos como la naturaleza química del material genético (a partir de estudios con bacterias y bacteriófagos), la hipótesis semiconservativa de la duplicación del ADN (cultivos de Escherichia coli en N14 y N15), conocer los procesos de duplicación (DNA polimerasa de Escherichia coli), transcripción y traducción, síntesis de sustancias en microorganismos (como la insulina, hormona de crecimiento…) mediante manipulación genética de los mismos… IMPORTANCIA EN INDUSTRIA Con respecto a la utilización de los microorganismos en procesos industriales, los seres humanos lo han hecho desde hace miles de años. Se sabe que desde el inicio de la cultura humana se han producido bebidas alcohólicas, vinagre, leches fermentadas y pan, lo cual implica la intervención de microorganismos en la producción de alimentos. Los microorganismos utilizados en procesos industriales son organismos seleccionados cuidadosamente para producir uno o varios productos específicos, bien directamente o mediante transformaciones bioquímicas, y con un gran rendimiento. LAS PROPIEDADES QUE DEBE TENER UN MICROORGANISMO INDUSTRIAL SON: 1. Producir una sustancia de interés y aplicación. 2. Crecer en cultivo puro de forma rápida, originando rápidamente el producto deseado. 3. Utilizar como fuente de carbono, en el cultivo, sustancias de bajo coste; a veces se utilizan sustancias de desecho de otras industrias, como la pupa de la remolacha, suero de quesos... 4. Tener un tamaño celular tal que permita su eliminación fácil del medio de cultivo donde crece. 5. Ser susceptible de manipulación genética. Destacamos los siguientes PROCESOS INDUSTRIALES: Bloque IV Fabricación de bebidas alcohólicas, como el vino, la cerveza y la sidra. La elaboración del vino entraña la fermentación de los azúcares contenidos en el mosto de la uva, convirtiéndolos en etanol y CO2 y las responsables de este proceso son las levaduras del género Sacharomyces que existen normalmente sobre la piel de la uva. La cerveza es un producto de la fermentación alcohólica por levaduras de la especie Sacharomyces cerevisiae a partir de un líquido obtenido por maceración de la malta, que contiene enzimas que digieren el almidón transformándolo en glucosa, sustrato fermentable. 19 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Fabricación de pan, proceso en el que intervienen levaduras de la especie Sacharomyces cerevisiae, las cuales realizan la fermentación alcohólica utilizando como sustrato los glúcidos de la harina de trigo. Para la fabricación del pan se mezclan la harina, el agua, la sal y la levadura, dejando esta mezcla durante unas horas para que tenga lugar la subida de la masa por producción de CO 2, el cual es responsable también del aspecto esponjoso del pan. Durante la cocción, la levadura queda inactivada y se destruye el alcohol producido por la fermentación. Fabricación de productos lácteos como el yogurt y queso. En la fabricación del yogurt se utiliza leche entera cuyos azúcares son fermentados por bacterias del género Streptococcus y Lactobacillus. Esta fermentación láctica se lleva a cabo a una temperatura de aproximadamente 40ºC. El aroma característico se debe al ácido láctico producido a partir de la lactosa y el acetaldehído. Producción de vinagre. El vinagre se origina al convertir el etanol del vino en ácido acético por acción de las bacterias del vinagre. Producción de antibióticos. Son sustancias producidas por microorganismos y que difunden en el medio donde viven impidiendo el crecimiento de otros microorganismos o bien causando su muerte. La penicilina fue el primer antibiótico descubierto por Alexander Fleming en 1929 y es producido por el hongo Penicillium. Vacunas. Obtenidas con preparaciones de agentes patógenos muertos o atenuados, para inducir inmunidad frente al germen activo. Biorremediación: eliminación de contaminantes por acción de los microorganismos.Por citar algunos ejemplos hablaremos de la biodegradación del petróleo, de la degradación de plásticos y similares o de la depuración de aguas residuales. 8. BIOTECNOLOGÍA: CONCEPTO Y APLICACIONES La Biotecnología es el conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales, para obtener determinados productos. Los microorganismos utilizados en biotecnología o procesos industriales son organismos seleccionados cuidadosamente para producir uno o varios productos específicos, bien directamente o mediante transformaciones bioquímicas, y con un gran rendimiento. Las propiedades de estos microorganismos se vieron en el apartado anterior. Bloque IV 20 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Antes de conocer las aplicaciones de la biotecnología, tenemos que explicar el concepto de ingeniería genética ya que muchas de las aplicaciones biotecnológicas dependen de ella. La Ingeniería Genética engloba un conjunto de técnicas que se ocupan de la manipulación de genes y de sus productos y sus métodos de trabajo son conocidos también como técnicas de ADN recombinante. La Ingeniería genética se sirve de los avances de la Biología molecular que permiten utilizar células y moléculas como auténticas herramientas. Entre ellas tenemos que citar: a) Enzimas de corte o de restricción, actúan como “tijeras moleculares” que cortan el ADN por secuencias específicas denominadas secuencias de reconocimiento. Posteriormente estos fragmentos de ADN podrán unirse a vectores de clonación que hayan sido cortados por el mismo procedimiento enzimático. En la actualidad se conocen varios cientos de enzimas de restricción. b) Un vehículo o vector. Se utiliza para mover los genes. Los vectores más utilizados son plásmidos bacterianos, pequeñas moléculas circulares de ADN que incorporan con facilidad ADN foráneo (procedente de otro organismo) y que son fácilmente transferidos a otras células. c) Enzimas “de pegado” o ADN ligasas. Unen fragmentos de ADN de distinta procedencia y originan un ADN híbrido, el denominado ADN recombinante. Este ADN recombinante es introducido en otras células, como bacterias o levaduras u óvulos fecundados, en las cuales se logra la expresión de los genes contenidos en ese fragmento manipulado e insertado. La expresión de esos genes será siempre una proteína. Hay veces que la proteína cobra valor por sí misma como en una aplicación médica, es el caso de una hormona (insulina, hormona de crecimiento…), una vacuna recombinante o una proteína (factor VIII de la coagulación sanguínea para los hemofílicos); otras veces, la proteína simplemente reconduce el metabolismo de la célula receptora, produciendo efectos positivos para la misma. A. Eschirichia coli. B. Bacillus subtilis. Fotografías a M.E. (falso color) Bloque IV 21 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato Los animales y plantas transgénicas son aquellos en los que se les ha introducido un ADN recombinante y lo han incorporado a su genoma lo que les confiere determinadas características. La incorporación del ADN recombinante se realiza en las primeras etapas del desarrollo, concretamente en los óvulos fecundados. Aplicaciones de la ingeniería genética En la agricultura. Variedades transgénicas del maíz que resisten las heladas gracias a la incorporación en su genoma de un gen de un pez muy resistente al frío. En la ganadería. Carpas transgénicas que crecen entre un 20 y un 46% más rápidamente, gracias al gen de la hormona de crecimiento de la trucha arco iris. En la sanidad. Cerdos, cabras y vacas que producen proteínas de interés (hormona de crecimiento, insulina, factor VIII de la coagulación) en la leche mediante la introducción de los genes correspondientes en los óvulos recién fecundados. Otra posibilidad es la terapia génica, para corregir enfermedades hereditarias como la fibrosis quística, anemia falciforme… Consiste en sustituir el gen causante de la enfermedad por el alelo sano mediante ingeniería genética. 8.1. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA AGRICULTURA Control de plagas. La utilización de insecticidas tiene el inconveniente de que estos productos, tóxicos en muchos casos, son absorbidos por las plantas y se acumulan en las raíces. Una alternativa es el uso de bacterias patógenas de insectos, como es el caso de Bacillus thurigiensis, que actúa de insecticida natural ya que sus células en esporulación poseen unas inclusiones proteínicas cristalinas de elevada toxicidad, especialmente para los lepidópteros. Bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico. Muchos de los fertilizantes utilizados por los agricultores se componen de una fuente de nitrógeno, concretamente nitratos, capaz de ser utilizados por las plantas. Una alternativa son las bacterias del género Rhizobium que viven en las raíces de leguminosas y son capaces de captar el nitrógeno atmosférico (N2) y transformarlo en amoniaco (NH3). Se está empleando la ingeniería genética para alterar estas bacterias fijadoras de nitrógeno de forma que puedan vivir en las raíces de cereales y actúen como fábricas de abono. Producción comercial de setas. En la actualidad se cultivan hongos comestibles en naves industriales donde las condiciones ambientales están controladas para facilitar se crecimiento. Es el caso de los champiñones y la seta shiitake. Micorrizas. El término micorriza proviene del griego y significa “hongo de la raíz” y se refiere a la asociación simbiótica que existe entre las raíces de las plantas y los hongos. Dependiendo del medio donde se encuentre la planta, la micorriza puede incrementar algunas de sus competencias. - En ambientes húmedos, por ejemplo, aumentan la disponibilidad de nutrientes, especialmente fósforo. - En ambientes áridos, donde los nutrientes no limitan de la misma forma el funcionamiento de la planta, la micorriza ayuda a la absorción de agua, permitiendo tasas de transpiración más altas que las plantas no micorrizadas. Bloque IV 22 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato 8.2. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA FARMACIA Y SANIDAD Elaboración de vacunas. La elaboración de las vacunas puede seguir distintos procedimientos, desde manipular los microorganismos para atenuar su virulencia a crear el antígeno concreto que desarrolla la respuesta inmunitaria en el hospedador. Producción de antibióticos. Es el caso de la penicilina, que se obtiene a partir del hongo del género Penicillium. Desde 1945 se han aislado miles de antibióticos producidos por hongos y bacterias, de los cuales unos 50 se producen a gran escala, para uso médico y veterinario. Con estas sustancias se pueden tratar infecciones fúngicas y bacterianas. Producción de hormonas. Mediante técnicas de ingeniería genética es factible manipular bacterias para que fabriquen proteínas humanas, como por ejemplo insulina. Se ha introducido en gen de la insulina humana en la bacteria Escherichia coli, que la produce en cantidades masivas y con las mismas características (gráfico página 18). En 1952 se descubrió que el moho del pan podía convertir la progesterona en cortisona con un alto rendimiento y, posteriormente, que se podían obtener otras hormonas, como las utilizadas en anticonceptivos, partiendo de la acción combinada de varios microorganismos. 8.3. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA ALIMENTACIÓN Fabricación de bebidas alcohólicas Fabricación de pan Fabricación de productos lácteos 8.4. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LOS PROCESOS DE INTERÉS AMBIENTAL Eliminación de metales pesados de las aguas contaminadas. La tecnología aplicada permite no sólo la clarificación de las aguas sino incluso la recuperación de metales de interés económico. Entre los microorganismos empleados se cuentan bacterias, algas y hongos, que acumulan fácilmente iones orgánicos presentes a baja concentración en aguas residuales. Por ejemplo, Sacharomyces cerevisiae y Rhizopus arrhizus absorben uranio de las aguas residuales. Recientemente, científicos españoles han conseguido crear, mediante ingeniería genética, una bacteria que puede atraer metales pesados y capturarlos en su membrana por diferencia de carga eléctrica. Control de las mareas negras. Varias cepas de Pseudomonas pueden consumir hidrocarburos. Aunque generalmente cada tipo de bacteria utiliza una clase de hidrocarburo, se ha creado, por ingeniería genética, un microbio capaz de transformar todos los hidrocarburos presentes en un vertido de petróleo. Producción de biogás. La producción de biogás a partir de residuos agrícolas, forestales o animales es un claro ejemplo de aplicación biotecnológica de los microorganismos. Para ello se emplean bacterias metanógenos (géneros Methanobacterium y Methanococcus) que transforman o metabolizan compuestos biocarbonados hasta metano. Actualmente se investigan sistemas combinados para la producción de biogás y bioalcohol. Bloque IV 23 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos? IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza Biología 2º Bachillerato De interés ADN sintético y PCR En la actualidad es posible clonar genes a partir de ARN-m e incluso la fabricación de ADN sintético. En el primer caso lo que se hace es obtener una hebra de ADN a partir de una cadena de ARN-m mediante una transcripción inversa. Posteriormente, a partir de la hebra de ADN obtenida y por acción de la ADN polimerasa, se obtiene una cadena doble de ADN que luego puede ser insertado (clonación) en un plásmido o en otro vector. Esta técnica presenta la ventaja de que al ARN-m no contiene intrones. Las siglas PCR indican la denominada reacción en cadena de la polimerasa, método de clonación que hace uso de la enzima ADN-polimerasa, la cual es capaz de copiar moléculas de ADN. Esta PCR puede multiplicar moléculas de ADN por cien mil veces en un tubo de ensayo. Esta técnica permite: a) Obtener grandes cantidades de genes para los procesos de clonación. b) También se usa esta técnica en estudios comparativos o evolutivos. Debido a su sensibilidad ha sido usada para clonar ADN de restos humanos momificados e incluso con restos de animales o plantas fósiles. c) También es muy útil en la práctica forense, pues permite amplificar cantidades muy pequeñas de ADN presentes en una muestra. En la figura, se muestra un esquema con los pasos que sigue la técnica PCR. Bloque IV 24 ¿Cómo son y cómo funcionan los microorganismos?