Download iv. los microbios al servicio del hombre

I .
L O S
P R I N C I P I O S
D E
L A
M I C R O B I O L O G Í A
EL MUNDO de los microbios o microorganismos es quizá tan vasto como el
Universo y, para dar un pequeño ejemplo, un puñado de tierra contiene tantos
microorganismos como seres humanos el planeta entero. Esto representó un gran
obstáculo para su estudio, ya que existía la dificultad de tener que separar un
microorganismo de los demás. Y, de cualquier forma, si se lograra separar dicho
microorganismo, ¿cómo se mantendría aislado de sus similares? La labor y el
esfuerzo combinados de muchos hombres y mujeres de ciencia, a lo largo de unos
200 años de historia, dio como resultado el surgimiento de la microbiología, la
ciencia que estudia estos pequeños seres de la naturaleza. Los métodos mediante
los cuales ha sido posible separar a los microorganismos de sus alrededores,
pueden ser descritos en orden de aparición, ya que los problemas que surgen
durante el desarrollo de una ciencia experimental sólo pueden ser comprendidos a
la luz del conocimiento que prevalecía en su tiempo.
I.1 LAS PRIMERAS IDEAS
La teoría de la generación espontanea. La creencia de que existían seres tan
pequeños que eran invisibles se remonta a tiempos tan lejanos como antes de la
Era Cristiana. Doscientos años antes de ella, Varro ya proponía la posibilidad del
contagio de ciertas enfermedades debido a criaturas invisibles suspendidas en el
aire, y esta idea ya era compartida por los antiguos médicos latinos y árabes.
Lucrecio fue conocido por su punto de vista peculiar sobre la materia, ya que pensaba que las cosas surgían
de una especie de átomo o semilla. En su obra De Rerum Natura (75 a. C.) sugiere que las plagas eran
causadas por una especie de átomo. Y en el libro VI dice: "Así como hay semillas benéficas para nuestra
vida, seguramente existen otras que causan enfermedad y muerte," Este punto de vista puede ser considerado
como un claro ejemplo de que se intuía ya que la naturaleza de la infección era microbiana. Sin embargo,
estas semillas no se consideraban como organismos vivientes.
Por otra parte, prevalecía la idea de que las cosas emergían de semillas y que sólo
la combinación de varias de ellas podría dar origen a un organismo completo. Así
pues, existía la duda sobre el origen de la primera semilla. De alguna forma esta
primera semilla se había generado espontáneamente, es decir que podían aparecer
organismos vivientes a partir de materia no viviente. A esta corriente de
pensamiento se le conoció como la teoría de la generación espontánea y persistió
por más de 1 500 años.
El contagio de las enfermedades. La epidemiología es la rama de la medicina que
estudia la propagación de las enfermedades y se inició mucho antes de que se
aplicara el término "enfermedad contagiosa" por los aún desconocidos agentes
causantes de las infecciones.
En la Antigüedad, los hebreos consideraban a las enfermedades infecciosas como
un castigo proveniente del Señor. Sin embargo, los escritos bíblicos ya indicaban
que las personas con lepra debían ser aisladas y los artículos y materiales que se
utilizaban durante su enfermedad, enterrados o quemados.
Más tarde, Lucrecio y Boccaccio reconocieron la naturaleza contagiosa de estos
brotes epidémicos y, por fin, en 1546, Fracastorius de Verona presentó su obra
titulada De Contagione. Este libro fundó la ciencia de la epidemiología propiamente
dicha. Después de estudiar cuidadosamente la epidemiología de varias
enfermedades, incluyendo la plaga y la sífilis, Fracastorius concluyó que la
transmisión se producía de persona a persona, directamente o bien por medio de
objetos de uso común. Más tarde otros, y él mismo, mezclaban las teorías
racionales con otras ideas basadas en la superstición. Por ejemplo, pensaban que
las plagas o epidemias eran gobernadas por fuerzas sobrenaturales. Como
resultado de esta confusión, casi un siglo después médicos prominentes como
William Harvey no tomaban en serio las ideas de Fracastorius y se adhirieron a las
ideas de Hipócrates y Galeno que consideraban que las epidemias o vapores
venenosos eran generados por conjunciones planetarias o por alteraciones en la
propia Tierra. El panorama era aún más complicado si se toma en cuenta que las
enfermedades pueden ser transmitidas de distintas maneras, como puede ser por
el agua, la comida o los insectos y que en muchas ocasiones estas formas de
transmisión no son tan obvias.
Las ideas de Lucrecio sobre la naturaleza de la materia fueron resucitadas por
Giordano Bruno,al final del siglo XVI, e influenciaron profundamente a Robert
Boyle. Sin embargo, el simple razonamiento sobre la existencia de los microbios no
constituyó la prueba de su verdadera existencia. Ésta sólo pudo ser demostrada
gracias al descubrimiento de una lente de aumento.
I.2 LAS PRIMERAS OBSERVACIONES
El microscopio abrió las puertas de otro universo. El holandés Antonie van
Leeuwenhoek (1632-1723) fabricó la primera lente lo suficientemente poderosa
como para observar a los organismos unicelulares. Utilizó una lente convexa y
colocó al objeto dentro de la distancia focal (Figura 2). Este arreglo produce una
imagen virtual o aparente muy amplificada; con este rudimentario pero ingenioso
microscopio logró observar muchos "pequeños animalillos". Éstos incluían
protozoarios, tanto de vida libre como parásitos de las vísceras de algunos
animales; también logró observar hongos filamentosos y corpúsculos globulares
que ahora conocemos como levaduras. Hizo importantes observaciones sobre la
estructura de las plantas y descubrió los espermatozoides de algunos animales.
Fue hasta 1676 que pudo observar organismos aún más pequeños, como las
bacterias.
Por otra parte, el microscopio compuesto, capaz de ampliar la imagen con mayor eficiencia y más
conveniente para su uso, fue inventado en 1590 por Zacharías Jensen y usado en 1630 por F. Stellerti para
estudiar la miel de abeja y los escarabajos. Sin embargo, todos los modelos producidos hasta antes de 1800
no poseían la resolución y la calidad de los microscopios de un solo lente.
Las observaciones de Leeuwenhoek llamaron mucho la atención, pero eso fue todo.
Nadie en esta época trató de repetir o extender sus observaciones, ya que la alta
calidad de sus lentes y su gran agudeza visual fueron factores determinantes para
desalentar a cualquier competidor. A esto se debió el gran retraso que sufrió el
desarrollo de microscopios más potentes.
I.3 LA CONTROVERSIA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA
¿La vida proviene de la vida o existe la fuerza vital? La comprensión verdadera de
la importancia de los microorganismos en el mundo comenzó como resultado de la
controversia sobre la generación de materia viviente a partir de la materia muerta.
En un principio existían dos escuelas bien definidas de pensamiento: aquélla que
tomando a Lucrecio al pie de la letra apoyaba la idea de que se podrían generar
animales a partir de materia muerta gracias a la existencia de una "fuerza vital"
(generación espontánea) y la que decía que la vida sólo se genera a partir de vida
(en latín omne vivum ex vivo).
Los antiguos que creían en la generación espontánea daban recetas para preparar
"ratones" a partir de comida en putrefacción. Opuestas a este punto de vista eran
las ideas de Redi, quien en 1668 mostró que la aparente generación espontánea de
larvas en la carne provenía de la visita de las moscas que ponían huevecillos sobre
ella. Sin embargo, Needham, otro investigador, hirvió extracto de carne en un
frasco, lo tapó y encontró que después de algunos días aparecían criaturas que se
movían. Esto, aunado a la idea de que los organismos vivientes morían al ser
hervidos, llevó a pensar que dichos organismos eran realmente producto de la
generación espontánea.
Más tarde, Spallanzani llevó a cabo experimentos más cuidadosos con los que
demostró que los organismos grandes eran destruidos al ser hervidos durante 30
segundos, pero los microorganismos sobrevivían y se desarrollaban aunque los
frascos estuvieran herméticamente cerrados. Después de muchos ensayos,
encontró que si hervía los frascos parcialmente cerrados durante 45 minutos, el
contenido se mantenía sin contaminarse casi indefinidamente, y sólo si se permitía
la entrada de aire, el contenido entraba en putrefacción rápidamente. Estos
resultados llevaron a pensar que, al hervir el contenido, el aire del frasco se hacía
inadecuado para la existencia de vida en su interior y esto era interpretado como la
ausencia de la "fuerza vital".
Un cocinero francés, llamado Francois Appert, a principios del siglo XIX desarrolló
el arte de preservar comida en frascos sellados: lo lograba hirviendo el contenido
dentro del frasco y cerrándolo sin permitir la entrada de aire fresco. Observó que
así el contenido se mantenía libre de microorganismos por tiempo indefinido. Este
hallazgo lo llevó no solamente a fundar una importante industria, la de las
conservas, sino a ser inmensamente rico.
La objeción a los experimentos de Spallanzani de que al hervir el contenido de los
frascos se terminaba con la "fuerza vital" fue descartada por un experimento de
Schultze en 1836. Éste consistió en que el recipiente que contenía extracto de
carne fue conectado a otros dos recipientes, uno de los cuales contenía ácido
sulfúrico y el otro potasa; a través de éstos se hizo pasar lentamente aire fresco
todos los días durante tres meses y el extracto de carne no se contaminó. La clave
del éxito de este experimento se debió a que las conexiones con ambos recipientes
se hicieron inmediatamente después de hervir el extracto de carne, lo cual evitó la
contaminación del extracto.
Theodor Schwann, en 1837, llevó a cabo un experimento similar, pero la diferencia
consistió en que el aire fresco se hacía pasar por un recipiente que contenía un
metal fundido en ebullición y de esta forma cualquier materia orgánica se mantenía
estéril en el interior. Sin embargo, cuando se dejaba pasar aire fresco sin entrar en
contacto con el metal fundido, el contenido se contaminaba invariablemente, con
bacterias para el caso del extracto de carne y con levaduras para una solución con
azúcar. La interpretación que dio Schwann a sus resultados fue la siguiente: "Los
microorganismos que deben estar presentes en el aire son destruidos al hacer
pasar el aire por un líquido incandescente. Por lo tanto, la putrefacción sin duda se
debe al hecho de que estos gérmenes, al nutrirse y desarrollarse a costa de esta
sustancia, la descomponen y sobreviene la putrefacción."
Más tarde, la técnica de estos experimentos fue simplificada y en 1853 Schroeder y
Von Dush descubrieron que, después de hervir el recipiente, bastaba con cerrar el
extremo abierto con un tapón de algodón. De esta manera, el aire que entraba a
través del algodón se filtraba al pasar por los múltiples y tortuosos caminos dentro
del mismo. Estos experimentos abrieron el camino sobre el cual se basaron los
métodos para cultivar bacterias. Dos postulados importantes se derivan de estos
resultados: el primero consiste en hacer un medio de cultivo adecuado que esté
libre de microorganismos y esto se logra hirviéndolo; el segundo consiste en
mantener el medio estéril por largo tiempo y esto se logra evitando la entrada de
los microorganismos que están suspendidos en el aire.
A pesar de estos avances, los resultados de Spallanzani, Schultze y Schwann no
fueron aceptados por la mayoría del público científico de la época. Hoy en día
sabemos que muchos microorganismos resisten temperaturas hasta de l00°C
durante varias horas. Esto ayudó a los que pensaban que la generación
espontánea era un hecho, ya que un solo experimento fallido era utilizado como
evidencia para la existencia de esta teoría. Koch, más tarde, llevó a cabo estudios
sobre el bacilo del ántrax y encontró que las esporas de algunas bacterias eran
altamente resistentes al calor y que sólo se destruían a l20°C o más, y eso al cabo
de 20 minutos.
Pasteur fue quien desechó la teoría de la generación espontánea. Fue el genio de
Louis Pasteur (1822-1895) quien finalmente persuadió al pensamiento científico
sobre lo verdadero de la generalización tan claramente formulada por Schwann en
1837. Pasteur se valió de una combinación de habilidad científica, persuasión y un
sentido muy particular del drama. Su experimento consistió básicamente en hervir
infusiones en un aparato tal que, cuando el contenido se enfriaba, el aire que
entraba era calentado y luego vuelto a enfriar al pasar por una camisa enfriada con
agua. Bajo estas condiciones la infusión se conservaba libre de contaminación. La
figura 3 ilustra el aparato tal como fue diseñado por Pasteur. Sin embargo, el
experimento más sorprendente fue aquel en el que Pasteur mostró cómo un medio
nutritivo permanecía estéril aun cuando estuviera comunicado con el exterior. Para
esto diseñó unos frascos especiales (Figura 4) en los que, como se puede ver, se
permite la entrada de aire, pero no se contaminan porque en el primer doblez del
cuello se retienen los posibles microbios contaminantes. Estos frascos se
encuentran hoy en día tal y como los dejó este notable hombre de ciencia.
Pasteur confirmó también los experimentos de Schroeder y Von Dusch, quienes hirvieron una infusión de
carne y cerraron los frascos con tapones de algodón. Este experimento lo amplió Pasteur utilizando tapones
de nitrato de celulosa en lugar de algodón, para después disolver el tapón en alcohol, de tal forma que los
gérmenes atrapados en el tapón fueran liberados; después examinó el contenido del tapón bajo el
microscopio y observó partículas globulares que semejaban esporas de hongos y bacterias.
A pesar del éxito de los experimentos de Pasteur no siempre se lograba
reproducirlos, y esto se debía principalmente a la resistencia de ciertas esporas o
microbios a las altas temperaturas. Sin embargo, tal dificultad no pudo opacar el
concepto general que Pasteur logró aclarar.
El físico Tindall estaba interesado en los fenómenos de la dispersión de la luz en el agua y en el aire
(fenómeno que ahora se conoce como efecto Tindall) y sus observaciones se apoyaron en los experimentos
de Pasteur. Tindall encontró que un rayo de luz puede observarse mejor cuando el humo de un cigarrillo pasa
a través de él. Lo mismo ocurre en un cámara en cuyo interior hay aire normal. Al pasar un rayo de luz se
observarán pequeñas partículas que flotan y que, él pensó, podían ser atribuidas a la presencia de los
microorganismos responsables del fenómeno de putrefacción. Tindall mostró que el aire normal contenido
en una cámara hermética presenta una serie de partículas diminutas que se hacen aparentes al incidir un rayo
de luz en la cámara. Sin embargo, después de algunas semanas las partículas se depositan en el fondo y el
rayo de luz ya no es dispersado. A esto Tindall lo llamó cámara ópticamente vacía.
En 1869 este físico inglés demostró que al llenarse una cámara con aire que se
forzaba a pasar a través de un algodón, se lograba obtener aire ópticamente vacío.
La relación de sus experimentos con los de Schwann y Pasteur fue obvia para él:
las pequeñas partículas no eran otra cosa que microorganismos. Demostró que el
aire ópticamente vacío no iniciaba el proceso de putrefacción. En 1876 diseñó una
cámara (Figura 5) que permitía observar tanto la presencia de partículas
contenidas en el aire como la putrefacción de cualquier sustancia depositada en el
interior de la cámara. Esta cámara tenía además una entrada para depositar la
muestra (B) y una ventilación que servía también para equilibrar las presiones (A)
y consistía en un tubo con varios dobleces. Para determinar la presencia de
partículas en el aire, el rayo de luz (E) se hacía pasar como se muestra en la
figura.
El 10 de septiembre de 1875 se cerró la caja de Tindall y, al pasar el rayo de luz,
éste se hizo aparente por la presencia de las partículas suspendidas en el aire. Para
el 13 de septiembre, el aire en su interior estaba ópticamente vacío. El
experimento se llevó a cabo utilizando un caldo de cultivo que fue depositado en
los tubos de ensayo del interior. El caldo hirvió durante 5 minutos al ser
sumergidos los tubos en un baño hirviente de salmuera. Por otra parte, otros tubos
que también fueron hervidos se dejaron fuera de dicha caja. Para el cuarto día, los
tubos que quedaron fuera de la caja estaban ya turbios mientras que los que
estaban en su interior se mantuvieron trasparentes durante 4 meses. Al abrir la
caja el contenido de los tubos se volvió turbio en 4 días. Estos experimentos se
repitieron en varias ocasiones con otro tipo de infusiones siempre con el mismo
resultado y éxito. La inferencia era clara, el aire ordinario contiene normalmente
cantidades variables de microbios y son a éstos precisamente a los que se debe la
mal llamada "generación espontánea".
La fermentación debe estar asociada a un microbio. A pesar de que Pasteur logró demostrar que la
contaminación de un caldo de cultivo se debe a la presencia de microorganismos, seguía siendo importante
saber cómo ocurrían los procesos de putrefacción de la materia. Así fue como otra serie casi innumerable de
sucesos ocurrieron y permitieron descartar definitivamente las ideas sobre la generación espontánea. En
estudios posteriores sobre la fermentación butírica y la producción de vinagre, Pasteur encontró que estos
procesos se debían al desarrollo de microorganismos específicos como son el Vibrion butiricum y el
Mycoderma aceti.
A pesar de esto, Liebig consideraba que la putrefacción y la fermentación eran
producidas por "fermentos" (del latín fermentum, que viene de fervere hervir y se
refiere a la evolución del gas) que, según él, consistían de materia orgánica en
descomposición. Se consideraban fermentos, por ejemplo, las partículas de queso
viejo que al mezclarse con un poco de leche hervida hacían que ésta se acidificara
rápidamente y, según Liebig, tal reacción se debía a la existencia de fermentos. La
existencia de levaduras, que para Pasteur explicaba la fermentación, para Liebig
sólo significaba que estos microorganismos, al morir, se descomponían y, por lo
tanto, actuaban también como fermento. Sin embargo, Pasteur finalmente
demostró que las levaduras originan el proceso de fermentación mientras crecen.
En resumen, Pasteur aclaró los conceptos sobre la fermentación y definió que ésta
es el producto de una reacción que lleva a cabo un microorganismo y que cada
microorganismo tiene su propio tipo característico de fermentación. Las levaduras
producen alcohol, las bacterias lácticas ácido láctico, el vibrión butírico ácido
butírico, etcétera.
Otro investigador de la época, Gay-Lussac, proponía que la fermentación era el
resultado de una serie de reacciones químicas. Sin embargo, sus resultados eran
poco refinados como para que se sostuvieran ante las evidencias de Pasteur.
Edward Buchner, más adelante, logró demostrar en forma accidental que la
fermentación ocurría en un extracto de levaduras, y comenzó a pensar en la
fermentación como una cadena de reacciones químicas que podían ocurrir aun en
ausencia del microorganismo.
I.4 CÓMO SON LAS BACTERIAS
Es importante recordar que las bacterias no poseen todas las estructuras que
contienen en su interior las células de los organismos que aquí llamaremos
superiores y éstas pueden ser desde las levaduras hasta las células de cualquier
animal. La figura 6 muestra estas diferencias estructurales.
Las células bacterianas presentan dos características principales. La primera es que
no tienen un núcleo que contenga al ácido desoxirribonucleico (ADN), el cual es el
material genético, sino que éste se encuentra libre en su interior (citoplasma). El
tamaño de esta molécula de ADN es varios cientos de veces más grande que la
bacteria misma y contiene toda la información hereditaria necesaria para asegurar
la superviviencia de la pequeña célula. La segunda es que el citoplasma contiene,
además, moléculas de ARN, llamadas ribosomas, cuya función es la de ensamblar
proteínas que tendrán, a su vez, diversas funciones. Estos ribosomas son más
pequeños que los de las células de los animales superiores.
Las bacterias tienen también envolturas celulares diferentes a las de las células de
los animales superiores. Todas presentan una pared formada de un componente
químico específico llamado peptidoglicano, que es el responsable de dar a la célula
una envoltura resistente. La presencia de la llamada pared celular ha permitido
catalogar a las bacterias en gram positivas y gram negativas. Las bacterias que se
tiñen con un colorante violeta son las positivas para la tinción de gram y no tienen
pared celular. Otras no se tiñen con el colorante y se les conoce como gram
negativas.
Las bacterias pueden tener organelas que les permitan moverse. Los más comunes son los flagelos, que se
proyectan de su superficie en uno de los extremos de la célula.
Las bacterias pueden ser de muchas formas: esféricas, en forma de bastón y hasta
ramificadas. En general, su tamaño es muy inferior al de una célula de un
organismo superior y su multiplicación es por división asexual. Durante su ciclo
reproductivo se forma una pared divisoria después de que su cromosoma, formado
de ADN que contiene la información genética, se ha duplicado. De esta forma las
dos porciones de la célula se separan, conteniendo cada una de las nuevas células
su propio cromosoma (Figura 7).
Algunas bacterias tienen estructuras conocidas como endosporas, las cuales
pueden resistir el paso del tiempo y aun agresiones tales como altas temperaturas
y productos químicos tóxicos que acaban normalmente con una bacteria. Estas
esporas permanecen en estado latente y, bajo condiciones adecuadas, pueden dar
lugar a una nueva bacteria.
Las bacterias están íntimamente ligadas a la existencia de la vida sobre la Tierra.
Son causantes de muchas enfermedades, pero también en muchos casos son las
responsables de la continuidad de la vida.
Los microbios y las enfermedades. Sin duda una de las cargas que más ha pesado
sobre la humanidad ha sido las enfermedades causadas por los microorganismos.
No solamente eran la causa más frecuente de muerte sino, además, de las
enfermedades que atacaban a los menores de edad. No en pocas ocasiones a
causa de la naturaleza epidémica de las infecciones, ejércitos y naciones enteras
fueron exterminados. Una de las grandes hazañas de las ciencias médicas y
biológicas ha sido el descubrimiento de la causa y el control de estas epidemias
devastadoras. Hoy en día es fácil dar por hecho estos logros tan importantes y
preocuparse por los problemas derivados de los avances tecnológicos. Sin
embargo, Pasteur y Koch llegaron a ser considerados héroes por haber rescatado a
la humanidad de una de las más grandes amenazas con la que tuviera que
enfrentarse: la contaminación microbiana. Es indudable que el avance de la
microbiología como una ciencia es inseparable de su función como pilar
fundamental de la medicina moderna.
Los microbios del suelo. Al final de la era encabezada por Pasteur, otros investigadores, como lo fueron
Winogradsky en Rusia y Beijerinck en Holanda, comenzaron a explorar la microbiología del suelo y
descubrieron para su sorpresa una gran variedad de microorganismos en los diferentes tipos de suelo que
estudiaron.
Con el desarrollo de la "microbiología del suelo" se hizo aparente que el principal
papel que desempeñan los microbios en la naturaleza es geoquímico. Gracias a la
presencia de bacterias en la tierra, los compuestos orgánicos como el carbono, el
nitrógeno y el azufre pueden ser usados cíclicamente por las plantas y los
animales, en vez de que dichos elementos se encuentren como materia inorgánica
muerta.
Un hecho interesante es que la "fertilidad" de la tierra se acrecienta si en ésta hay
bacterias que sean capaces de convertir nitrógeno atmosférico o amoniaco
proveniente de la descomposición de material orgánico en nitrato (que viene a ser
la forma no volátil de estos compuestos), forma en la cual es aprovechado por las
plantas que en ella crecen.
Por otra parte las algas y, en una menor proporción, las bacterias fotosintéticas
llevan a cabo la otra mitad del ciclo geoquímico, la formación de materia orgánica
a partir de bióxido de carbono (C02) por medio de la fotosíntesis. Es importante
enfatizar el papel benéfico de ciertos microbios, ya que la conexión histórica entre
las enfermedades infecciosas y la microbiología ha dado lugar a la imagen popular
de que el mundo de los microbios es maligno y hostil. Sin embargo, la fracción de
microbios nocivos para el hombre es mínima con respecto al del total de la masa
microbiana sobre la Tierra. La mayoría de los microbios ataca la materia orgánica
muerta cuando está bajo tierra y constituye un factor determinante en la
transformación de la materia orgánica.
I I .
M E T A B O L I S M O
B A C T E R I A N O
TODOS los seres vivos llevan a cabo el procesamiento de los nutrientes que los
mantienen vivos. A este conjunto de procesos, se le conoce como metabolismo y
consiste de un gran número de reacciones químicas destinadas a transformar las
moléculas nutritivas en elementos que posteriormente serán utilizados para la
síntesis de los componentes estructurales; como pueden ser las proteínas. Otra
parte importante del metabolismo es la de transformar y conservar la energía que
está contenida en una reacción química en algún proceso que requiera de energía,
como puede ser el trabajo o el movimiento.
Es evidente que los nutrientes son transformados cuando entran en un organismo,
ya que en ningún caso el alimento contiene todas las moléculas que una célula
requiere. Esto se vio con claridad al observar el crecimiento normal de levaduras
en un medio de cultivo que sólo contenía glucosa como única fuente de energía.
Así pues, se pensó que la síntesis de todos los componentes celulares se llevaba a
cabo en el interior de las levaduras. Hoy sabemos que las transformaciones que
sufre la glucosa no ocurren en un solo paso, sino que, por el contrario, se forman
varios productos intermedios que en muchas ocasiones no tienen una función
específica a no ser la de formar parte de lo que se conoce como vía metabólica.
La transformación de los nutrientes en compuestos útiles para la subsistencia de
un organismo se lleva a cabo por medio de las reacciones químicas que realizan
unas proteínas conocidas como enzimas. De tal forma que no podemos hablar del
metabolismo si no describimos brevemente qué son y cómo funcionan las enzimas.
II.1 LAS ENZIMAS SON EFICIENCIA Y RAPIDEZ
La enzimología es una parte fundamental de la bioquímica que se ha desarrollado
rápidamente en los últimos cinco decenios. Ciertas manifestaciones de la acción
enzimática eran conocidas desde mucho tiempo atrás y si bien sus causas eran
ignoradas, ya se conocían varios procesos como la fermentación, la digestión y la
respiración o consumo de oxígeno.
Las enzimas son proteínas especializadas capaces de transformar químicamente
una molécula; son sin duda las moléculas biológicas más notables ya que
solamente transforman a una molécula y a ninguna otra y esto lo hacen varios
cientos de veces por segundo. Estas características las hacen mucho mejores que
cualquier catalizador químico hecho por el hombre.
Pasteur pensaba que la fermentación era llevada a cabo por enzimas y que su acción estaba íntimamente
ligada a la estructura y a la vida de las levaduras. Un hecho de gran importancia que marcó el inicio de la
enzimología y de la bioquímica ocurrió cuando, en 1877, Edward Buchner logró que un extracto libre de
levaduras enteras llevara a cabo la fermentación alcohólica. Esto implicaba que tales enzimas, de gran
importancia para la célula viva, eran capaces de llevar a cabo su función con independencia de la integridad
de la estructura celular. En 1926, el notable bioquímico J. B. Sumner aisló y cristalizó por primera vez una
enzima, la ureasa de frijol, y comprobó que era una proteína, lo que era contrario a la opinión general en
aquel tiempo. Tuvieron que pasar 10 años, hasta 1926 que fue cuando Northrop cristalizó otras tres enzimas,
para establecer finalmente que éstas son proteínas especializadas en una reacción. Hoy en día se conocen
quizá más de 2 000 enzimas diferentes y, aunque se sabe mucho acerca de ellas, quedan aún grandes dudas
sobre su control genético y su modo de acción.
Estas proteínas actúan sobre una sola molécula, es decir, son como una llave y una
cerradura: la llave es la molécula y la cerradura es la enzima. La posibilidad de que una
llave abra otra cerradura que no sea la que le corresponde es muy remota. Pues bien, lo
mismo ocurre con las enzimas: la posibilidad de que una enzima actué sobre otra
molécula que no sea la que le corresponde es muy baja.
Las enzimas, en su calidad de proteínas, se hallan formadas por cadenas de
aminoácidos, las cuales se arreglan espacialmente en formas variadas. En otras
palabras, las cadenas de aminoácidos constituyen estructuras tridimensionales
(Figura 8).
Así, estas complicadas estructuras forman un espacio o hueco en donde se une la
molécula que va a ser transformada; a este hueco se le denomina sitio activo. Las
enzimas tienen entonces un sitio activo y una estructura tridimensional que las
hace ser únicas. Sin embargo, pueden existir enzimas con dos o más sitios activos
y con una estructura integrada por una o varias cadenas de aminoácidos (Figura
9).
La velocidad a la que dichas enzimas trabajan es muy alta y esto las hace muy
eficientes. Su actividad está en función directa de la cantidad de moléculas que va
a ser transformada y su acción es regulada en parte por la aparición en el medio
del producto final de la reacción, que de hecho inhibe su actividad. Su acción
puede ser concertada es decir, que una enzima se encuentra dentro de un proceso
más o menos largo de degradación o de síntesis y de esta forma el producto de
dicha enzima será el sustrato de la siguiente enzima y así sucesivamente (Figura
13).
El metabolismo se podría definir como el conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula y que
tienen por objeto generar la energía y los componentes necesarios para que ésta lleve a cabo sus funciones.
Esta definición estaría incompleta si no aclaramos antes que todas estas reacciones están altamente
coordinadas y dependen del perfecto funcionamiento de los sistemas multienzimáticos.
II.2 UNOS SERES VIVOS DEPENDEN DE OTROS
Organismos autosuficientes y organismos dependientes. Para poder llevar a cabo
todas sus reacciones metabólicas, los seres vivos necesitan una fuente de alimento
y energía.
De acuerdo con su fuente de obtención de nutrientes, los organismos vivos se
pueden dividir en dos grandes grupos. Por una parte, los autosuficientes
(autótrofos), que utilizan al bióxido de carbono (CO2) y al agua (H20) como única
fuente de alimento y a partir de estos compuestos producen todas las moléculas
necesarias para su subsistencia, crecimiento y proliferación. Por otra parte, los que
dependen de otros compuestos o de sus productos, se llaman heterótrofos. Estos
no pueden utilizar el bióxido de carbono como tal y por lo tanto deben obtener el
carbono que necesitan a partir de otros compuestos que se encuentran en el medio
que los rodea, como por ejemplo la glucosa, que es una molécula mucho más
compleja que el C02. Lo cual quiere decir que unas formas de vida requieren de
otras y así se establece una cadena alimenticia. Ya que unos organismos son
relativamente autosuficientes y otros requieren de fuentes de carbono más
complejas, su interrelación es necesaria y vital. Algunos ejemplos de células
autosuficientes son las de las plantas, las bacterias fotosintéticas y algunas
bacterias no fotosintéticas. Sin embargo, la mayoría de los organismos no son
autosuficientes y por lo tanto requieren siempre de una asociación benéfica con un
organismo que sí lo sea.
El ciclo del carbono y del oxígeno. En la figura 10 podemos ver cómo se relacionan
los organismos fotosintéticos y los que dependen de ellos. Los primeros, por medio
de la energía luminosa del Sol, más el agua y el bióxido de carbono (C02) del
suelo, llevan a cabo la fotosíntesis, produciendo así glucosa y oxígeno. A partir de
estos compuestos básicos que se convierten en materia orgánica, los organismos
dependientes obtienen a su vez los nutrientes que, al ser utilizados, son
transformados y liberados al medio en forma de agua y C02. Estas moléculas a su
vez serán nuevamente utilizadas por los organismos fotosintéticos.
Así pues, la interrelación entre ambos tipos de organismos crea a su vez un ciclo
importante para la conservación de la vida en la Tierra. A éste se le conoce como
ciclo del carbono y del oxígeno.
El ciclo del nitrógeno. El nitrógeno es sin duda un elemento muy importante para el
metabolismo, ya que forma parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y de
muchas moléculas de gran importancia biológica. De manera similar a lo que
ocurre con el carbono, el nitrógeno forma parte de un ciclo que hace a los
diferentes tipos de organismos vivos depender entre sí. Esto se debe básicamente
a que, a pesar de que el nitrógeno se encuentra distribuido en cantidades enormes
en la atmósfera, es un elemento poco reactivo y debido a eso no puede ser
aprovechado por la mayoría de las formas de vida. El nitrógeno debe ser asimilado
por las plantas bajo la forma de nitrato o amoniaco, o bien por los animales bajo la
forma de animoácidos, los cuales forman parte estructural de las proteínas.
La asimilación del nitrógeno en los ciclos de vida depende de varios factores. Las
plantas toman el nitrógeno de la tierra en la forma de nitrato y lo utilizan para
llevar a cabo las funciones metabólicas que dependen de este elemento. Por otra
parte, los organismos dependientes utilizan las proteínas vegetales como
nutrientes para aprovechar el nitrógeno contenido en éstas y lo devuelven a la
tierra en forma de amoniaco como producto de desecho, o bien como producto de
descomposición después de su muerte como se muestra en la figura 11. En la
tierra, una especie de bacterias transforma al amoniaco en nitrato, el cual puede
nuevamente ser utilizado por las plantas.
Figura 11. El ciclo del nitrógeno. Este ciclo mantiene el balance entre las dos vastas
reservas de compuestos nitrogenados: la atmósfera y la corteza terrestres.
Existen, sin embargo, algunas especies de bacterias muy peculiares, conocidas
como fijadoras de nitrógeno, que son capaces de procesar el nitrógeno atmosférico
que por lo general no se asimila. Estas bacterias lo transforman en un producto útil
para los organismos que dependen de él, como las plantas. Las bacterias fijadoras
de nitrógeno atmosférico se asocian íntimamente con las raíces de algunas plantas.
De esta forma, algunas, como el frijol, no requieren de ningún tipo de abono o
fertilizante, ya que su asociación con la bacteria les permite utilizar en forma
directa el nitrógeno atmosférico. Este tipo de simbiosis se antoja atractiva para que
otras plantas, que requieren de fertilizantes, sean capaces también de asociarse
con estas bacterias. Un gran número de investigadores en México y otras partes
del mundo se encuentra interesado en este problema tan importante para la
agronomía. Así, se están estudiando las posibilidades de establecer este tipo de
interacción bacteria-planta en plantas que normalmente no lo hacen.
Hasta la fecha sólo se conoce un tipo de microorganismo que sea totalmente
autosuficiente y que no dependa de ningún otro ser vivo, ya que utiliza la luz del
Sol como fuente de energía, obtiene el carbono a partir del bióxido de carbono y el
nitrógeno de la atmósfera. Estos organismos son las algas verdeazules, las cuales,
se piensa, fueron los primeros pobladores de la Tierra cuando se establecieron las
condiciones climáticas adecuadas.
II.3 LA ACTIVIDAD METABÓLICA AUMENTA O DISMINUYE
El metabolismo en los seres vivos es muy flexible y se puede ajustar a la cantidad
y tipo de nutrientes disponibles en el medio que rodea a un microorganismo. Un
ejemplo lo podemos obtener de las levaduras, las cuales se adaptan a las
condiciones en que se les mantenga, pues poseen todo el conjunto de enzimas
necesario para sintetizar sus elementos básicos como los aminoácidos y todos los
demás componentes celulares, de tal manera que si crecen en un medio con
glucosa como única fuente de energía, pueden sintetizar todas las moléculas que
necesitan, aunque esto implica un gran gasto en energía. La levadura puede
evitarlo si le proporcionamos los aminoácidos y nutrientes requeridos, ya que
economiza el aparato enzimático responsable de la síntesis de todos los
compuestos que necesita para vivir.
Actualmente es posible tener en el laboratorio cultivos controlados de bacterias en
los cuales el investigador modifica a voluntad la composición de los nutrientes.
Esto ha permitido conocer y entender cómo los microorganismos modifican su
metabolismo en función de la calidad nutritiva del medio en el cual se les hace
crecer. Si, por ejemplo, la concentración de nutrientes ricos en nitrógeno baja, el
microorganismo iniciará inmediatamente la síntesis de las enzimas necesarias para
elaborar sus propios ácidos nucleicos y aminoácidos; todo está finalmente regulado
y enfocado hacia la máxima economía metabólica y, en última instancia, al ahorro
de energía.
II.4 PARTES DEL METABOLISMO
El metabolismo se puede dividir en dos grandes partes: el catabolismo y el
anabolismo.
La fase del metabolismo que descompone las moléculas grandes en pequeñas es el
catabolismo. Las moléculas grandes como las proteínas, las grasas (lípidos) o los
azúcares (carbohidratos), que provienen de nutrientes del medio ambiente, se
descomponen enzimaticamente. El producto de esta descomposición o degradación
lo forman las moléculas más simples y pequeñas como, por ejemplo, el ácido
láctico, el ácido acético, el bióxido de carbono, el amoniaco y la urea. De estas
reacciones químicas de degradación se obtiene la energía química contenida en las
estructuras de las grandes moléculas. Esta energía se conserva en forma de
molécula conocida como adenosíntrifosfato (ATP), la cual es de vital importancia
en el metabolismo de cualquier organismo vivo.
Por otra parte, el anabolismo es la fase del metabolismo durante la cual se
sintetizan de nuevo las moléculas que la bacteria o célula utiliza para regenerarse,
mantenerse o dividirse, como son: las grasas, las proteínas, los azúcares o
carbohidratos y los ácidos nucleicos (ADN y ARN), que forman parte funcional o
estructural de los organismos. Esto lo lleva a cabo el microorganismo o la célula a
partir de los constituyentes primarios que se obtienen de los nutrientes. Sin
embargo, tales procesos de síntesis requieren de energía y ésta la proporciona el
ATP que fue generado durante el catabolismo. Así, el anabolismo y el catabolismo
se llevan a cabo simultáneamente y cada uno está regulado en forma muy precisa,
ya que ambos procesos son interdependientes (Figura 12). Las enzimas que llevan
a cabo las diferentes reacciones en el metabolismo funcionan en forma secuencial,
lo que quiere decir que el producto de una reacción enzimática será a su vez
degradado por la siguiente enzima de la cadena de reacciones de alguna vía
metabólica, proceso al que se conoce como de sistemas multienzimáticos. La razón
de este tipo secuencial de reacciones se debe, aparentemente, a los múltiples
puntos de control que ofrece, ya que un solo paso para la conversión de una
sustancia presentaría serios riesgos para un organismo; probablemente por esta
razón tal estrategia no ha sido adoptada por la naturaleza.
La degradación de los nutrientes: Las proteínas, los lípidos y los carbohidratos son degradados mediante
reacciones enzimáticas que ocurren una después de la otra. Este proceso de degradación está dividido en tres
etapas que a grandes rasgos son las siguientes:
La primera consiste en la conversión de moléculas complejas a moléculas más
simples; esto quiere decir que una proteína, que no es más que una cadena de
aminoácidos, tiene que ser convertida de nuevo en sus constituyentes, que son los
aminoácidos, para que éstos puedan ser debidamente aprovechados en la segunda
etapa de degradación. Estos procesos degradativos no requieren de energía y
ocurren en el interior del microorganismo.
La segunda etapa consiste en la conversión de estas moléculas, ya bastante
simples, en una aún más simple y común, independientemente del origen de las
moléculas. Es decir, que tanto los carbohidratos como las proteínas o los lípidos
son convertidos en una molécula mucho más simple llamada "acetil coenzima A".
Es a partir de esta molécula que la tercera etapa del metabolismo se lleva a cabo y
consiste en generar la energía que necesita la célula para realizar procesos vitales,
como desplazarse o dividirse, entre otros. En esta etapa ocurre uno de los ciclos
metabólicos más importantes de la biología: el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o
ciclo de Krebs. Así pues, todas las moléculas que sirven a un organismo como
fuente de subsistencia son llevadas, por medio de diversos caminos de
degradación, a un camino metabólico común. Esta vía metabólica común degrada
una sola molécula en una serie de pasos y como resultado se obtiene energía
principalmente en forma de ATP. Los caminos metabólicos están finamente
controlados. Estos mecanismos de control consisten en que los niveles de algunos
productos regulan la actividad de algunas enzimas, de tal forma que su actividad
se incrementa o disminuye dependiendo de los niveles del producto. Por otra parte,
las concentraciones de ATP, que como ya vimos es una molécula muy importante
en el metabolismo de la célula, regulan también la actividad de ciertas enzimas y
esto lo hacen por medio de la unión del ATP a las enzimas susceptibles de ser
reguladas por esta molécula. La regulación del metabolismo es vital, y de ésta
depende que un un organismo produzca solamente la cantidad necesaria de cada
una de las moléculas que requiere para subsistir y por lo tanto que el desperdicio
de energía sea mínimo.
Tanto las bacterias como las células de los seres superiores generan la energía
necesaria durante el catabolismo y la almacenan en forma de ATP. Así, éstas
pueden realizar funciones vitales como el movimiento, el transporte de nutrientes a
su interior y la síntesis de las moléculas que forman parte de su estructura o que
tienen funciones específicas y deben ser sintetizadas en el interior. La síntesis de
las moléculas es continua e implica un recambio constante entre las moléculas que
se degradan y las que se sintetizan. De hecho, los procesos de degradación se
conocen, aunque las señales que los gobiernan son aún tema de intensas
investigaciones.
El estudio del metabolismo se ha apoyado en el uso de microorganismos a los
cuales se les induce un cambio genético o mutación. Este tipo de enfoque ha
permitido entender la mayoría de las vías metabólicas. Así, por ejemplo, el hongo
Neurospora crassa puede crecer en un medio simple que contenga glucosa como
única fuente de carbono y amoniaco como fuente de nitrógeno. Sin embargo, si se
expone este hongo a rayos X, se obtiene una neurospora que ya no crece en el
medio simple. Esta mutante solamente puede crecer en un medio de cultivo al cual
se le ha añadido el compuesto que ya no sintetiza dicho microorganismo. Un
ejemplo de esto son las mutantes del hongo que ya no crecen a menos que se
añada al medio un aminoácido conocido como arginina (como todos los
aminoácidos contiene nitrógeno). Lo cual quiere decir que la síntesis de este
aminoácido está alterada y el hongo, por lo tanto, no puede utilizar el nitrógeno del
medio para sintetizarlo. Esta mutante no crecerá a menos que se le adicione dicho
aminoácido en el medio de cultivo. Existen toda otra serie de mutantes similares
que difieren en los pasos en que el metabolismo se encuentra alterado; así se han
podido conocer las diferentes etapas que forman parte de una vía metabólica.
II.5 LA MAQUINARIA DEL METABOLISMO
El metabolismo es, entonces, un sistema complejo de reacciones químicas llevadas
a cabo por las enzimas que son las responsables de la transformación de los
nutrientes en moléculas útiles para la bacteria.
La complejidad de los sistemas multienzimáticos que lleva a cabo el metabolismo es
variable. En algunos casos las enzimas se encuentran en el interior de la célula y las
moléculas que van a ser degradadas interaccionan libremente. Estos sistemas funcionan
con base en la difusión libre de los productos del metabolismo (metabolitos) en el
interior de la bacteria o célula. En otras palabras, la probabilidad de que una molécula
interaccione con la enzima adecuada es alta y la reacción ocurre por lo tanto a una gran
velocidad. Por otra parte, existen sistemas multienzimáticos organizados espacialmente
en la membrana celular; esto permite que las reacciones ocurran de una manera
organizada, funcionando juntos como una perfecta maquinaria engranada. Este tipo de
disposición de las enzimas en una membrana puede llegar a ser muy complicada. De
hecho, su funcionamiento es aún un problema biológico que atrae la atención de varios
grupos de científicos en el mundo. Estos complejos enzimáticos altamente organizados
forman parte indispensable de los organismos vivos desde las bacterias hasta los
mamíferos. La interacción íntima entre sus componentes facilita la difusión de los
metabolitos, y por lo tanto la velocidad a la que ocurren las reacciones es también muy
alta. La figura 13 ilustra los tipos de sistemas enzimáticos y su disposición en el interior
de la bacteria o de su membrana.
El metabolismo puede tener dirección y tamaño. Como ya vimos, existen sistemas
multienzimáticos asociados a una membrana celular. Estos sistema generalmente
aprovechan la división entre uno y otro lado de la membrana, es decir entre el
interior y el exterior de la bacteria. Esta disposición permite dividir un
compartimiento de otro, ya que las membranas celulares son impermeables.
La idea de que el metabolismo en compartimientos puede tener dirección y tamaño
parece complicado o sin sentido, y así fue como lo tomaron los bioquímicos en los
años sesenta. En 1961, Peter Mitchell, un microbiólogo inglés, propuso por primera
vez que la síntesis de la molécula conocida como ATP, se debía a que ciertas
reacciones metabólicas tenían como resultado el movimiento de una especie
química cargada o ión, en este caso un protón (H+). Este protón, entonces, era el
responsable de que el ATP fuera sintetizado.
La forma como funciona el complejo enzimático que sintetiza el ATP puede expresarse así: logra que un
protón que se encuentra en el interior sea sacado al exterior. La figura 14 muestra en forma esquemática este
proceso. Sumergidas en la membrana de la bacteria se encuentran las enzimas que componen la cadena
respiratoria (así se les conoce, ya que al funcionar consumen oxígeno). La cadena respiratoria utiliza los
compuestos que se producen durante el catabolismo en el ciclo de Krebs; éstos tienen la propiedad de ceder
un electrón que con un protón formará un hidrógeno que ya no tiene carga. Este hidrógeno es transportado al
lado opuesto de la membrana en donde pierde nuevamente el electrón y se libera el protón resultante al
medio. Así, al cabo de varios ciclos se logra acumular una gran cantidad de protones en el exterior de la
bacteria y esto tiene como consecuencia que se establezca una diferencia en la concentración de protones,
que tiene la tendencia natural a equilibrarse. Un ejemplo podría ser la situación imaginaria de que un grupo
grande de personas se encuentre en un pequeño cuarto comunicado con otro por una puerta que sólo se
mueve en el sentido del cuarto vacío. Al estar tan apretadas empujarán dicha puerta y se empezará a llenar el
cuarto vacío, y pasado un tiempo el número de personas será igual en ambos cuartos. Volviendo a la
membrana de una bacteria, lo que ocurre es que la energía que se libera cuando se reequilibria la
concentración de los protones en ambos lados de la membrana, permite que se sintetice el ATP.
Lo anterior, que hoy en día se ve claro, fue muy difícil de aceptar por la comunidad
científica de la época y pasaron 16 años para que esta teoría fuera completamente
aceptada. Su aceptación culminó con la entrega del premio Nobel a Peter Mitchell,
ya que su teoría permitió explicar una gran cantidad de fenómenos hasta entonces
oscuros. Por ejemplo, si estas reacciones con dirección producen una diferencia en
la concentración de protones se tendrá también una diferencia de cargas (+)
(afuera una gran carga positiva). Esto puede ser usado por algunas especies
químicas para entrar, por ejemplo, si su carga es positiva (A+), o para salir si es
negativa (B-). Como estos procesos metabólicos tienen dirección, magnitud y
sentido, se dice que son "vectoriales"; además, son muy complicados y todavía no
los comprendemos en su totalidad, pero baste decir que constituyen un pilar
fundamental de los procesos energéticos celulares, ya que explican reacciones
vitales como la síntesis del ATP o el transporte de nutrientes. Hasta ahora hemos
visto a las bacterias que necesitan obtener su energía a partir de los nutrientes que
se encuentran en el medio. Sin embargo, otro grupo de bacterias muy importantes
son aquéllas cuya fuente principal de energía es la luz que proviene del Sol y de
ellas nos ocuparemos a continuación.
II.6 BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS
Menos familiares para nosotros, pero igualmente importantes, son las bacterias
que tienen la facultad de utilizar la luz como fuente de energía. Éstas desempeñan
un papel fundamental en la ecología y han servido para el estudio del proceso
molecular de la fotosíntesis en numerosos laboratorios. Cuando se toman muestras
de las profundidades de un lago, cualquiera se sorprendería al notar que el agua
huele muy mal; además, hay que agregar el color verdoso o rojizo del agua. Si la
analizamos con más detalle, veremos que hay producción de gas y que no existe
oxígeno. Este ambiente tan hostil alberga a las poco conocidas bacterias
fotosintéticas, responsables de una gran parte de la producción de materia
orgánica en los lagos y parte importante de la cadena biológica. Estos organismos
son muy antiguos y se piensa que son los descendientes directos de las primeras
células fotosintéticas que existieron en la Tierra, entre las que se pueden contar las
algas verdeazules y las bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras. Las algas
verdeazules se pueden encontrar como células únicas o en colonias en la tierra, los
ríos, los lagos y los océanos. Estos organismos pueden vivir utilizando CO2- como
única fuente de carbono y algunos son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.
Las bacterias fotosintéticas verdes que producen azufre (sulfurosas), como
Chlorobium, viven en ambientes carentes de oxígeno, como en el fondo de algunos
lagos ricos en materia orgánica. Estos organismos le dan el color verde
característico a estas aguas. Así encontramos también bacterias púrpuras
sulfurosas, como Chromatium, que viven en ambientes también carentes de
oxígeno y que utilizan compuestos con azufre en su metabolismo. Éstas se
encuentran también en algunos lagos y en manantiales de aguas termales
sulfurosas. Finalmente tenemos a las bacterias púrpuras no sulfurosas, que tienen
la peculiaridad de utilizar la luz en ausencia de oxígeno, como las bacterias verdes
y las púrpuras sulfurosas, pero además pueden utilizar al oxígeno durante los
periodos de oscuridad. Estas bacterias poseen en su interior una complicada
organización de moléculas encargadas de captar la luz solar y conservar la energía
proporcionada por esta forma de energía química. La luz que es aprovechada es la
luz visible y gran parte de la cual es empleada también por las plantas verdes, de
tal forma que los pigmentos encargados de captar la luz lo hacen en las regiones
del espectro de la luz visible que no son utilizadas por las plantas. Estas moléculas
se conocen como pigmentos antena y, dado que la intensidad de la luz que llega a
las profundidades donde se encuentran estas bacterias es muy baja, su captación
debe ser muy eficiente para así aprovechar la energía al máximo.
Estos microorganismos cuentan con estructuras internas que contienen las
moléculas que captan la luz de tan baja intensidad. Estas estructuras se conocen
como cromatóforos y contienen moléculas de clorofila típica de estas bacterias, que
son las que captan la luz y retienen la energía que ésta proporciona (Figura 15).
Las bacterias fotosintéticas realizan una parte muy importante de la
transformación y generación de la materia orgánica de lagos y ríos. Su existencia
es determinante en el frágil equilibrio energético de este planeta. Estudiarlas es de
gran importancia. En México existen ya algunos grupos interesados en estos
microorganismos y en sus mecanismos de transformación y conservación de la
energía solar.
La fotosíntesis. Éste es sin duda uno de los procesos más importantes de captura
de energía en nuestro planeta y lo podemos definir como la forma de utilización de
energía solar que han desarrollado algunos microorganismos fotosintéticos y las
plantas, mediante la cual llevan a cabo la síntesis de todos sus componentes
celulares. Este proceso es fundamental para todos los organismos vivos, ya que es
la piedra angular del ciclo de utilización de la materia en la Tierra.
La luz solar es la fuente primordial de energía en la Tierra, tanto para los
organismos fotosintéticos como para casi todos los organismos heterótrofos. Se
utiliza a través de una complicada serie de procesos que van desde las cadenas
alimenticias hasta complejos procesos industriales. Por ejemplo, el hombre utiliza
la energía generada por la fotosíntesis de organismos que existieron hace millones
de años y cuyos productos de descomposición se emplean en forma de gasolinas y
derivados del petróleo, que proporcionan los combustibles para casi todas las
máquinas construidas por el hombre.
El descubrimiento de la fotosíntesis. El desarrollo histórico de la fotosíntesis se inicia entre 1770 y 1777
cuando Joseph Priestley, uno de los descubridores del oxígeno, llevó a cabo importantes experimentos sobre
el intercambio de materia que ocurre durante la fotosíntesis. El experimento de Priestley consistió
básicamente en consumir el oxígeno de un recipiente cerrado, lo que logró con una vela que ardía en el
interior. Al consumirse el oxígeno, observó que la vela se apagaba. Por otra parte, si en dicho recipiente con
aire se introducía además de la vela un ratón, al poco tiempo de consumirse el oxígeno de la cámara el
animal moría. Ahora bien, si dentro del recipiente se incluía una planta, tanto la vela como el ratón se
mantenían sin problema alguno. Priestley concluyó que las plantas verdes llevan a cabo la producción del
oxígeno. Al parecer, este proceso era la inversa de la respiración en los animales, en la cual se consume
oxígeno. A pesar de tan acertados experimentos, Priestley no logró determinar que este proceso estaba ligado
a la luz. Fue Ingenhousz, un médico holandés, quien lo descubrió algunos años después, identificando que la
porción verde de las plantas era la responsable de la producción del oxígeno.
Posteriormente, en el siglo XIX se concretó otra serie de importantes
descubrimientos que condujeron finalmente a dilucidar que las responsables de la
fotosíntesis en las plantas son las hojas y que hay producción de materia orgánica
durante este proceso que se puede esquematizar como sigue:
6CO2 + 6H2O + energía luminosa - C6H12O6 (glucosa) + 6 O2
La capacidad de llevar a cabo el proceso de fotosíntesis se encuentra en una gran
variedad de organismos, tanto en bacterias como en plantas y algas.
I I I .
L A S
B A C T E R I A S Y L A
T I E R R A
H I S T O R I A
D E
L A
EN LA Antigüedad los sabios sostenían que la vida en la Tierra consistía
fundamentalmente en dos formas de vida: las plantas y los animales. Más
adelante, cuando los microbios fueron descubiertos, la división se hizo de una
forma similar; los organismos más grandes y que se movían se consideraban como
animales, y los que aparentemente no se movían, incluyendo a las bacterias, se
consideraban como plantas. Conforme avanzó el conocimiento sobre el mundo
microscópico, se llegó a la conclusión de que la clasificación original era insuficiente
y se propusieron categorías adicionales tales como hongos, protozoarios y
bacterias.
Sin embargo, posteriormente una nueva simplificación se llevó a cabo, ya que se
pensó que los seres vivos podrían ser divididos en dos nuevamente, sólo que esta
división sería a un nivel más profundo, es decir, sobre la estructura de la célula
viviente. Aparentemente todas las células vistas en un microscopio pertenecían a
una de dos categorías: las que tienen un núcleo bien definido (eucariontes o
eucariótico, que significa de núcleo verdadero) y las células sin núcleo
(procarionte, que quiere decir literalmente antes del núcleo, figura 6)
Las plantas y los animales multicelulares, lo mismo que varios organismos
unicelulares y microscópicos como las levaduras y los protozoarios, tienen un
núcleo bien definido y son eucariontes. Por otro lado están las bacterias que no
tienen núcleo. Hasta aquí no parecía haber dificultad alguna en la clasificación, sin
embargo, muy recientemente un grupo de investigadores ha revisado la
clasificación que hasta ahora prevalecía y llegó a interesantes conclusiones: se
encontró que entre las bacterias existe un grupo de organismos que no parece
estar relacionado ni con los organismos superiores ni con los más simples. Estos
nuevos organismos tampoco contienen núcleo, como las bacterias, y se parecen
mucho a éstas en su morfología vistas en un microscopio. Sin embargo, en su
composición química y en la estructura de algunos de sus componentes
moleculares son tan distintos de las bacterias (procariontes) como lo son de los
organismos superiores (eucariontes).
Estos microbios forman por sí mismos un nuevo grupo, que se caracteriza por
tener una forma de vida completamente diferente a lo conocido hasta ahora, al que
se ha dado el nombre de arqueobacterias (arqueo: viejo o primitivo) y este curioso
nombre hace evidentes algunas conjeturas sobre su origen aún no comprobadas.
Hay indicios de que este grupo de organismos es por lo menos tan antiguo como
los otros dos, pero como algunas clases de arqueobacterias tienen formas de
metabolismo que se adecuan bien a las condiciones climáticas que prevalecían
probablemente en los orígenes de la historia de la Tierra, posiblemente las
arqueobacterias son el grupo más antiguo de los tres.
III.2 BACTERIAS FÓSILES
Un hecho muy importante es que no solamente los animales y las plantas han
dejado restos de su existencia como fósiles, sino que las bacterias, aunque
pequeñas, también imprimieron la huella de su pasado en la Tierra, ya que, como
vimos, estos pequeños organismos son capaces de modificar el medio ambiente.
Los microfósiles, es decir los fósiles de las bacterias, se encuentran en sedimentos
de todas las edades geológicas e incluso en las rocas sedimentarias que tienen 3
500 millones de años y que son las más antiguas que se conocen. Las bacterias o
microbios existieron en un periodo de la historia de la Tierra en el que no había
otras formas de vida. La Era de las bacterias fue muy importante, ya que en ella se
produjo toda una serie de eventos evolutivos y geológicos. Hasta hace muy poco
no se sabía gran cosa sobre la Era de los microorganismos y, por otra parte, los
microfósiles aislados no dan mucha información. Sin embargo, se han descubierto
otras estructuras fósiles de bacterias que forman aglomerados llamados
estromatolitos y que son aparentemente colonias de bacterias mezcladas con
minerales. Hoy en día se sabe que tales tipos de estructuras constituyen
efectivamente aglomerados peculiares de bacterias que quizá eran fotosintéticas.
Se piensa que es así porque los estromatolitos de bacterias fotosintéticas que se
han fosilizado recientemente se asemejan a los antiguos, a tal grado que es
razonable pensar que las estructuras antiguas también fueron formadas por
bacterias fotosintéticas. Ésta es la única evidencia que se tiene sobre el origen de
la evolución de las bacterias, el cual es tan oscuro como lo es el origen de las
formas de vida superiores (Figura 16).
Figura 16. ¿Cuál es el antecesor común de todas las formas de vida? Ésta es sin duda una
incógnita de gran importancia, ya que dentro de este esquema seforma el tronco común,
de donde emergieron los organismos superiores primitivos (eucariontes), las bacterias y
las arqueobacterias.
III.3 LA BIOQUÍMICA Y LA EVOLUCIÓN
La biología se ha servido de la bioquímica para tratar de descifrar el pasado de una
célula o bacteria. Para tal fin se han utilizado moléculas propias de la célula como
lo son las proteínas y los ácidos nucleicos (ácido ribonucleico, ARN, y ácido
desoxirribonucleico, ADN). La idea en que se apoya este proceso se basa en que los
organismos vivientes son mucho más ricos en información que los fósiles,
información que se extiende más allá de los fósiles más antiguos. Sin embargo,
para poder descifrar los antecedentes biológicos ha sido necesario desarrollar la
tecnología para determinar la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) que
conforma un gene, la del ARN y la del producto de un gene, como son las proteínas.
Para el caso de las proteínas (del griego proteios, primero), desde hace
aproximadamente 25 años se llevan a cabo las determinaciones de las secuencias
de aminoácidos que constituyen a varias de ellas. Sin embargo, la tecnología para
la determinación de la secuencia de bases de ADN o ARN que forman los ácidos
nucleicos ha sido perfeccionada muy recientemente (premio Nobel de Química
1980). Esta nueva tecnología permitirá sin duda descubrir rápidamente más acerca
de la historia de la vida sobre la Tierra.
Ha sido con estas técnicas, que un grupo de científicos ha logrado reconocer
recientemente a las arqueobacterias como una tercera forma de vida. Para apreciar
la verdadera diferencia entre las arqueobacterias y las otras dos formas de vida,
debemos recordar que se han definido criterios para distinguirlas.
Recordemos que las células de los organismos superiores son relativamente
grandes y están rodeadas por una membrana dentro de la cual se encuentra una
serie de estructuras que a su vez están rodeadas de otras membranas. Estas
estructuras subcelulares se llaman organelos. Por otra parte, las bacterias son muy
distintas. En primer lugar, son más pequeñas, y en segundo lugar, ninguna de las
estructuras que mencionamos antes se encuentra en ellas. Las bacterias están
rodeadas por una sola membrana y en la mayoría de los casos están rodeadas,
además, de una pared celular rígida. Toda la información genética de estos
organismos está contenida en unos 2 000 a 3 000 genes, información que es muy
pequeña comparada con la contenida en la célula de un animal superior. La
cantidad de información genética en una célula eucarionte es varios cientos de
miles de veces mayor que la de una bacteria.
La distinción entre seres superiores y bacterias se definió inicialmente en términos
de las pequeñas estructuras subcelulares que se podían observar con un
microscopio de luz. A ese nivel de definición, las células parecían grandes y
complejas o pequeñas y simples. Sin embargo, esta distinción se ha tratado de
llevar a niveles biológicos básicos, o sea a las moléculas que conforman dicha
célula.
Ambos tipos de célula tienen procesos bioquímicos comunes, como, por ejemplo,
los mecanismos por medio de los cuales se transforma la información genética que
contiene el ADN en proteínas; sin embargo, algunos detalles sobre los mecanismos
de estos procesos son, o bien típicamente de los organismos superiores, o bien
típicamente bacterianos. Estas diferencias y similitudes dieron la pauta para que
pareciera evidente que el árbol de la vida tenía sólo dos ramas, la de las bacterias
y la de los organismos superiores. Recientemente se han acumulado una serie de
evidencias que indican que la relación evolutiva entre ambos reinos es más
complicada de lo que se pensaba. Por ejemplo, dos organelos subcelulares, como
las mitocondrias y los cloroplastos, contienen su propio ADN, aparte del que se
encuentra en el núcleo. Ambos tipos de organelos subcelulares son del tamaño de
una bacteria y el aparato que contienen, destinado al procesamiento de material
genético, es muy similar al de las bacterias.
Estas evidencias, entre otras, han llevado a pensar que tanto las mitocondrias
como los cloroplastos descienden de los procariontes, y que quedaron atrapados
dentro de una célula donde se desarrollaron, según propone la teoría
endosimbiótica de la evolución (endo=interior, simbiosis=convivencia o relación).
Esta teoría propone que la mitocondria era una bacteria respiratoria y el
cloroplasto una bacteria fotosintética. Esta conjetura, que prevaleció durante más
de cien años, fue comprobada para el caso de los cloroplastos y se logró
comparando las secuencias de bases de una molécula de ARN (ácido ribonucleico),
que resultaron estar íntimamente relacionadas con las de las bacterias
fotosintéticas. Esto implica que por lo menos dos líneas descendientes de las
bacterias están representadas en la célula de los organismos superiores.
III.4 UN MODO DE VIDA DIFERENTE
Con estos antecedentes podemos regresar al tema de las arqueobacterias. Cabe
aclarar que hoy en día se conoce poco sobre las leyes biológicas que gobiernan a
estos peculiares microbios y que se trata de un campo en pleno desarrollo. El
grupo de las arqueobacterias incluye tres tipos de bacterias: metanogénicas, las
que producen metano; halófilas extremas, las que viven en medios salinos
extremos, y termoacidófilas, las que subsisten en ambientes calientes y ácidos. De
los tres tipos las que predominan son las metanogénicas.
En 1776 Alessandro Volta descubrió la existencia de lo que él llamó aire
combustible, que se forma en las aguas estancadas de riachuelos y lagos, que
tienen gran cantidad de sedimentos ricos en vegetación en proceso de
descomposición. Sin embargo, el hecho de que un microorganismo fuera el
responsable de la producción de metano (el gas combustible), se descubrió mucho
más tarde. Las bacterias metanogénicas están ampliamente distribuidas en la
naturaleza en sitios carentes de oxígeno y por esta razón es imposible encontrarlas
a cielo abierto, ya que el oxígeno es altamente tóxico para estos organismos.
Es posible que las bacterias metanogénicas existieran en casi cualquier sitio
cuando la Tierra era aún joven, ya que probablemente las condiciones atmosféricas
eran más adecuadas para ellas. Hoy sólo se encuentran en sitios donde el oxígeno
está ausente, y presente el hidrógeno y el bióxido de carbono (C02). También es
frecuente encontrar a estas bacterias asociadas a otras como las del género
Clostridium, que metabolizan la materia orgánica en descomposición y liberan al
medio hidrógeno como producto de desecho.
Este tipo de arqueobacterias, como ya mencionábamos, se encuentra en lugares
donde hay agua estancada en putrefacción o en las plantas para el tratamiento de
aguas negras. En la actualidad, el hombre ya las está aprovechando y se han
podido obtener volúmenes suficientes de gas metano para ser utilizados
industrialmente como combustible, hecho que atrae la atención de muchos
científicos, ya que propone una alternativa al agotamiento de los energéticos no
renovables.
Las metanógenas se encuentran también en uno de los estómagos de los
rumiantes, en el que se degrada la celulosa, y en el tracto digestivo de la mayoría
de los animales. También se pueden obtener del fondo de los océanos o de los
manantiales de aguas termales, lo que demuestra que, a pesar de su intolerancia
al oxígeno, se encuentran ampliamente distribuidas sobre la Tierra. Actualmente
estas bacterias se mantienen, en condiciones adecuadas, en varios laboratorios del
mundo y son utilizadas en las investigaciones sobre sus procesos metabólicos.
Otro tipo de arqueobacterias son las halófilas extremas, que requieren
concentraciones muy altas de sal para vivir. Su localización más común es en
aguas que contienen cantidades saturantes de cloruro de sodio (sal). Se
encuentran más comúnmente a lo largo de las costas y en aguas saturadas de sal
como los grandes lagos salados o el Mar Muerto.
Las halófilas extremas dan un color rojizo a la sal en los pozos de evaporación y
son capaces de descomponer el pescado salado. Estas bacterias han llamado la
atención de los microbiólogos básicamente por dos razones. La primera es que
presentan mecanismos para mantener diferencias enormes en la concentración de
iones, como el sodio o el cloro, entre el interior y el exterior de la célula, y utilizan
estas diferencias de concentración para el transporte de sustancias hacia el interior
o el exterior de la célula. En segundo lugar, estas bacterias tienen un sistema
fotosintético relativamente simple, ya que no se basa en la presencia de clorofila
como en la molécula que capta la energía luminosa, sino en un pigmento presente
en su membrana, llamado bacteriorrodopsina, que es muy similar a uno de los
pigmentos que se encuentran en la retina del ojo. Dicho pigmento ha sido muy
estudiado y actualmente se conocen su estructura y su función con gran detalle, lo
que ha ayudado enormemente al avance del conocimiento de las proteínas
membranales y sobre todo de aquellas proteínas que transforman la luz en energía
química.
El tercer tipo de arqueobacteria que se conoce es el de las termoacidófilas, que
también se caracterizan por habitar en un nicho ecológico peculiar. Sulfolobus, uno
de los dos géneros de termoacidófilas, se encuentra en los manantiales de aguas
sulfurosas, y crece y se desarrolla generalmente a temperaturas de
aproximadamente 80°C, y algunas variedades lo hacen inclusive a temperaturas de
90°C. Otra característica particular de Sulfolobus es que el pH óptimo (la escala de
pH se puede dividir en dos partes: 7.5 a 14, alcalino y de 7.5 a 0, ácido) para su
crecimiento es muy ácido (generalmente pH = 2.0), si tomamos en cuenta que
normalmente el pH adecuado para la vida es de 7.5. Así, se ve obligada a
mantener en su interior un pH (el potencial hidrógeno = pH se refiere a la
concentración de protones H+ en una solución) de aproximadamente 7.5. Pero no
solamente puede sobrevivir con estas diferencias tan grandes de pH, sino que las
aprovecha para importar nutrientes a su interior (Figura 14).
Por algún tiempo se pensó que estos microorganismos tan peculiares se habían
adaptado a nichos ecológicos distintos y extremos, pero hoy en día se sabe que
integran un nuevo grupo de microorganismos.
El descubrimiento de un grupo nuevo de organismos es de gran importancia, ya
que ayudará a revelar la historia del origen de la vida. Cuando solamente se
conocían dos líneas a partir de las cuales se originarían todos los organismos
vivientes, se hacía muy difícil la interpretación de las diferencias que las separan.
Ha sido a partir del descubrimiento de una tercera línea de vida que la
interpretación de las propiedades ancestrales y las recientemente adquiridas se ha
hecho más equilibrada, ya que estas tres líneas de desarrollo son equidistantes
entre sí.
El descubrimiento de las arqueobacterias ha permitido el acercamiento a dos
problemas de gran importancia. Uno de ellos es la naturaleza del antecesor común
a todas las formas de vida y el otro se refiere a la incógnita sobre la evolución de
la célula de los organismos superiores.
I V .
L O S
M I C R O B I O S A L
H O M B R E
S E R V I C I O
D E L
Los microbios útiles para el hombre constituyen solamente una proporción muy
pequeña de la amplia variedad de especies que existe en la naturaleza. El papel
que desempeñan algunos de ellos en la fabricación de la cerveza, el pan y el vino
fue descubierto en forma accidental hace mucho tiempo. Por ejemplo, la
transformación que sufre el jugo de uva y la masa para hacer el pan, hoy en día se
sabe que se debe a las levaduras. Microorganismos bien conocidos también lo son
las bacterias que acidifican la leche o los hongos microscópicos que le confieren su
carácter tan particular a los quesos. A estos tres grupos de microorganismos hay
que agregar los actinomicetos, que son hongos filamentosos que viven en la tierra
y que se han utilizado para la producción de antibióticos a partir del decenio de los
años 40 del presente siglo.
Es difícil clasificar a los microorganismos en útiles y no útiles, o en buenos y malos,
ya que todos participan en el reciclaje de las moléculas del mundo orgánico y
también en la conservación de una parte de la ecología; de tal forma que los
microbios no sólo son útiles sino indispensables para la vida como la conocemos
actualmente. Algunos son nocivos para los animales o plantas pero, en proporción,
son muy pocos.
Existe un buen número de microorganismos que está siendo utilizado en la industria. Esto se debe a que
producen un compuesto de alto valor que no puede ser obtenido de una manera tan sencilla o tan
económica por las técnicas químicas usuales. En algunos otros casos, los microorganismos son
cultivados por su valor intrínseco, como es el caso de la levadura de panadería. Sin embargo, en la
mayoría de los casos la sustancia buscada es un producto de su metabolismo, como es el caso del alcohol
o algún antibiótico, por ejemplo.
IV.1 LA VIDA CON O SIN OXÍGENO
Los microorganismos se pueden dividir en tres grupos dependiendo del ambiente
que necesitan para vivir. El primer grupo lo forman los organismos aeróbicos
estrictos, que son aquellos que no pueden tener actividad metabólica ni crecer más
que en presencia de oxígeno. El segundo grupo reúne a los organismos
anaeróbicos estrictos, que llevan a cabo su actividad metabólica y crecimiento en
ausencia total de oxígeno atmosférico. El tercer grupo está constituido por los
organismos aeróbicos facultativos, los cuales presentan actividad metabólica en
presencia de oxígeno (respiración) y en ausencia de oxígeno (fermentación)
dependiendo del medio en el que se encuentren.
De los microorganismos aeróbicos estrictos podemos mencionar a los
estreptomicetos, que son hongos microscópicos productores de antibiótico.
También son aeróbicos la mayoría de los hongos filamentosos, como el Penicillum
notatum, productor de la penicilina.
Los organismos anaeróbicos estrictos están representados por las bacterias del
género Clostridium, como Clostridium botulinum, fuente de la toxina productora de
la enfermedad conocida como botulismo. Otro ejemplo es la Salmonella tryphi,
causante de muchas infecciones intestinales en el ser humano.
Las levaduras industriales son microorganismos facultativos que pueden respirar o
fermentar de acuerdo con las condiciones en que se les cultive. El metabolismo
anaeróbico, como la fermentación, es menos eficiente que la respiración, ya que la
primera no aprovecha toda la energía de las moléculas como los azúcares. Algunos
productos, como por ejemplo el alcohol etílico, son excretados por la levadura
como producto de desecho, ya que en ausencia de oxígeno este producto no puede
ser aprovechado en su totalidad.
Las vías bioquímicas de la fermentación que conducen a la formación de productos
útiles son diversas. Estas vías son de dos tipos: las homofermentarias, que son las
que conducen a un producto principal, y las heterofermentarias que dan dos o más
productos. Así pues, algunos bacilos son homofermentarios y producen ácido
láctico a partir de azúcares; por otra parte, existen otros bacilos lácticos
heterofermentarios que producen ácido láctico, alcohol etílico y gas carbónico por
diferentes vías metabólicas. Otro organismo heterofermentario es el Clostridium
aceto butylicum, que transforma la glucosa en una mezcla de acetona, alcohol
etílico, isopropanol y butanol.
Por otra parte, el crecimiento aeróbico que llevan a cabo algunos microorganismos
es más eficiente para la producción de biomasa (número de organismos obtenidos
a partir de una cantidad dada de nutrientes), ya que estos organismos degradan
completamente las moléculas nutritivas y les extraen el máximo de energía. Esto
quiere decir que si la meta de la producción industrial es mejorar los sistemas de
obtención de grandes cantidades de organismos, como es el caso de la levadura
destinada a la panadería, es ventajoso trabajar con el organismo en condiciones
aeróbicas ya que de esta forma se utilizan los sustratos al máximo por respiración
y por lo tanto se obtendrán muchas más levaduras por cantidad de nutrientes.
IV.2 LA MANIPULACIÓN GENÉTICA
Una forma de obtención de compuestos orgánicos a partir de organismos aeróbicos
es mediante la manipulación genética, esto quiere decir que se pueden modificar, a
través de cambios o mutaciones de los genes, los mecanismos por medio de los
cuales los organismos transforman los nutrientes en las miles de moléculas que
constituyen una célula viviente. En condiciones metabólicas normales, cada uno de
los constituyentes necesarios para la célula se fabrica en cantidades justas y
suficientes. Esta fabricación controlada se lleva a cabo gracias a una serie de
mecanismos de regulación genética que detienen la fabricación de intermediarios y
de productos finales de una vía metabólica dada. Los microbiólogos han
seleccionado colonias o cepas de bacterias mutantes en las que esta regulación tan
fina se encuentre alterada, de tal forma que convenga para ciertos fines. Por
ejemplo, algunos metabolitos primarios, que son necesarios para el crecimiento
celular, son producidos en cantidades necesarias para la fabricación de moléculas
utilizadas por la célula. Una mutante interesante es Corynebacterium glutamicum,
defectuosa en su mecanismo de regulación para la producción de lisina, un
aminoácido necesario para la síntesis de algunas proteínas, capaz de producir 50
gramos de lisina por litro de medio de cultivo. Este tipo de metabolito es
considerado como primario y la mutante lo produce en exceso. Generalmente, las
bacterias mutantes se separan de las silvestres haciéndolas crecer en un medio de
cultivo en donde solamente dichas mutantes sobreviven. Para ello se incluyen en el
medio antibióticos que impiden el crecimiento de las silvestres y no afectan a las
mutantes.
Son considerados metabolitos secundarios aquellos que no se requieren en la
biosíntesis celular. Algunos microorganismos los sintetizan en la fase tardía de su
crecimiento por razones hasta el momento oscuras. Uno de los casos más
conocidos son los antibióticos; estos metabolitos secundarios no desempeñan un
papel directo en el metabolismo energético de la célula o en su crecimiento. Por
estas razones se piensa que estas sustancias contribuyen a la sobrevivencia del
organismo al inhibir el crecimiento de posibles competidores que podrían ocupar el
mismo nicho ecológico. Los organismos que producen este tipo de metabolitos
secundarios son sensibles a sus propios antibióticos durante la fase inicial de
crecimiento, sin embargo, durante la fase en la cual secretan el antibiótico, son
insensibles a su presencia.
Otra clase de sustancias importantes para la industria son las enzimas. Hasta la
fecha no ha sido posible sintetizar una enzima en el laboratorio y su aislamiento
puede ser un trabajo largo y de bajo rendimiento. Por otra parte, los
microorganismos dependen de las enzimas para la degradación de las moléculas
complejas. Las bacterias solamente producen la cantidad necesaria de enzimas, de
la misma forma que otros productos del metabolismo. Sin embargo, por medio de
las técnicas de ingeniería genética se pueden seleccionar microorganismos
mutantes que sobreproduzcan alguna enzima en particular.
Un método para incrementar la síntesis de una enzima es el de inducción. Cada
enzima tiene su huella genética en la secuencia de una molécula de ADN. A esta
secuencia se le denomina gene estructural y, en una bacteria, se encuentra en el
único cromosoma que ésta posee. Los genes estructurales con la información para
la síntesis de una enzima están normalmente inactivos en ausencia del sustrato
para dicha enzima. Por lo tanto, se dice que está reprimida la producción de una
enzima y solamente cuando se agrega el sustrato requerido, o un análogo, el gene
estructural es activado y dicha enzima es sintetizada, proceso al que se denomina
desrepresión o inducción, y a las enzimas que responden se les llama inducibles,
para distinguirlas de las que no son afectadas por la presencia del sustrato y que
se denominan constitutivas. En algunos casos el inductor puede ser el producto de
una reacción enzimática. Un ejemplo de esta situación es la enzima glucamilasa del
hongo Aspergillus niger, la cual se encarga de romper la cadena de azúcares que
componen al almidón en moléculas de glucosa. Sin embargo, para inducir la
síntesis de glucamilasa no es necesario que el almidón se encuentre presente en el
medio, ya que algunos análogos que son malos como sustratos son potentes
inductores de la enzima. Gracias a estos métodos, se ha podido sobreproducir
sustancias de gran importancia para la industria y para la medicina.
IV.3 LA INDUSTRIA Y SUS PEQUEÑOS ALIADOS
Las levaduras fueron explotadas durante miles de años para la elaboración de
bebidas alcohólicas y de pan. Esto ocurrió antes de que se identificara a las
levaduras como un microorganismo y de que se conociera la verdadera naturaleza
de la fermentación. Antonie van Leeuwenhoek fue el primero en observar la
presencia de las levaduras en la fermentación de la cerveza. Casi 200 años
después, en 1876, Louis Pasteur presentó sus ideas sobre la fermentación en una
obra clásica titulada Études sur la Bière ("Estudios sobre la cerveza"), en la cual
postula que los microorganismos que viven en condiciones anaeróbicas son
capaces de crecer y vivir sustituyendo al proceso de respiración por la
fermentación. Este proceso convierte azúcares en alcohol y bióxido de carbono, y
provee a las levaduras con la energía necesaria para su subsistencia. Este científico
propuso además que cuando se cultivan las levaduras en presencia de oxígeno, el
proceso de fermentación se detiene y es sustituido por la respiración o consumo de
oxígeno, proceso que sí degrada el azúcar hasta CO2 y agua y no produce alcohol.
La fermentación es muy importante socialmente, ya que mediante ella se producen
las bebidas alcohólicas que han tenido un papel importante en la historia. El vino,
por ejemplo, es el producto de la fermentación del jugo fresco de frutas, de las
cuales tal vez la más popular sea la uva, aunque también se usa ocasionalmente la
pera, el higo y algunos cereales. Estos jugos son generalmente ácidos (tienen un
pH de aproximadamente 5), lo cual es favorable para que se lleve a cabo la
llamada fermentación alcohólica. La "infección" del jugo ocurre inmediatamente.
Pasteur fue el primero en mostrar que hay levaduras en la cáscara de la uva y
sobre todo cuando está próxima a madurar. Dichas levaduras forman grandes
colonias en los puntos donde se lesiona la fruta y hay salida de jugo. Por otra
parte, los insectos son un factor muy importante en este proceso, ya que
diseminan las levaduras entre la fruta. Este hecho se conoció cuando Wortmann
observó cómo un jugo estéril no se fermentaba, y no fue hasta que una avispa lo
tocó que el jugo empezó a fermentarse.
En la superficie de las uvas se encuentra la levadura conocida como
Saccharomyces, que es el principal género responsable de la fermentación.
Durante la fermentación alcohólica las levaduras convierten en alcohol la dextrosa
y la fructosa, dos azúcares que se encuentran en el jugo de la fruta. La
concentración que alcanza el alcohol es de 14%, ya que a esta concentración tanto
la fermentación como el crecimiento de la levadura se detiene. De esta manera, el
vino contiene una concentración limitada de alcohol; por otra parte, su sabor y
aroma se deben principalmente al contenido de amil-alcohol, ácido acético, ácido
láctico y acetato etílico, siendo todas estas sustancias importantes en la calidad del
producto.
Los azúcares más comúnmente utilizados por las levaduras durante su crecimiento
son la glucosa y la fructosa, que contienen 6 átomos de carbono. Sin embargo,
existen otros compuestos con mayor o menor número de átomos de carbono y que
son de interés en algunas industrias. Estos azúcares diferentes pueden a su vez ser
metabolizados por algunas levaduras. Por ejemplo, la levadura Cándida utilis, la
cual se emplea en la industria alimentaria, puede crecer metabolizando azúcares
de cinco átomos de carbono (pentosas); esto permite que crezcan en un producto
colateral de la industria del papel que es precisamente un azúcar de cinco átomos
de carbono. Otra levadura, Saccharomycopsis lipolytica, puede romper cadenas
lineales de hidrocarburos de 10 a 16 átomos de carbono; existe una instalación
piloto que ha logrado hacer crecer esta levadura con buenos resultados en
presencia de una fracción purificada de petróleo, el cual, como se sabe, es un
hidrocarburo. Esta levadura, al crecer, produce ácido cítrico como producto de
desecho, el que a su vez es utilizado en otra serie de procesos industriales.
Asimismo, una variedad limitada de levaduras puede crecer en presencia de
metanol (un alcohol con un solo átomo de carbono), esto es posible ya que tales
levaduras llevan a cabo un proceso metabólico novedoso que involucra unos
organelos especializados llamados microcuerpos. Lo anterior se ha aprovechado,
ya que el cultivo utilizando metanol es muy barato y la producción de biomasa de
las levaduras es tan abundante que se utiliza como complemento para la
alimentación de animales.
Otra levadura que ha sido útil desde tiempos remotos es la cepa denominada
Saccharomyces cerevisiae. Esta ha sido utilizada en la elaboración de vino, sake,
cerveza y, hoy en día, para la producción industrial de alcohol.
Una aplicación interesante es la que se le está dando a otra especie, Phaffia
rhodozyma, que produce un pigmento especial llamado astaxantina. Esta molécula
está siendo probada para añadirla en forma complementaria al alimento de las
truchas y salmones de criadero. Como estos peces pierden el color rosado que
presenta su carne cuando crecen en su hábitat natural, la astaxantina da a la carne
de estos peces nuevamente su color rosado.
Otros tipos de productos metabólicos de los cuales se obtienen grandes volúmenes
a partir de cultivos de microorganismos son el dextrán y la goma xántica. El
dextrán es una cadena de moléculas de glucosa que se utiliza como complemento
del plasma en enfermos graves o bien como mallas moleculares al entrecruzar sus
cadenas para separar compuestos en el laboratorio con base en su tamaño. La
goma xántica, que es adecuada para el consumo humano, se agrega en algunos
productos alimenticios como estabilizador. También tiene uso en la impresión de
textiles, en la excavación de pozos, como aditivo y en la elaboración de cosméticos
y productos farmacéuticos.
Los hongos microscópicos tienen una gran importancia económica, tanto por sus
beneficios como por el daño que pueden causar. Una gran parte de la materia
orgánica de la tierra es destruida por los hongos. Esta actividad, por ejemplo, es
benéfica, ya que completa el reciclaje de la materia viviente. Los hongos pueden,
sin embargo, causar un gran número de enfermedades tanto en las plantas como
en los animales: pueden, entre otras cosas, envenenar la comida. Por ejemplo, el
hongo Claviceps purpurea produce una serie de sustancias venenosas (alcaloides)
y parasita a las plantas que come el ganado. Cuando el ganado consume alimento
contaminado se producen abortos en las hembras, enfermedad que se conoce
como ergotismo. En el humano la toxina produce alucinaciones y en ocasiones la
muerte. Otro tipo de toxinas son las aflatoxinas, que se producen al almacenar el
heno o alimento a base de cacahuate en condiciones impropias; el hongo llamado
Aspergillus flaws las produce como metabolito secundario y son altamente tóxicas.
Los efectos nocivos de los hongos microscópicos están balanceados por su multitud
de usos en la industria. Así se emplean en algunos procesos de fermentación,
como por ejemplo el almidón del arroz que es degradado para producir sake, un
licor elaborado principalmente en Japón; la fermentación combinada de frijol de
soya, arroz y malta da lugar a algunos alimentos orientales como el miso, el shoyu
y el tempeh. Algunas enzimas provenientes de ciertos hongos tienen usos
comerciales importantes, como por ejemplo: las amilasas (degradan almidón), las
proteasas (degradan proteínas) y las pectinasas (degradan pectina). Algunas
especies de hongos producen agentes antibióticos, entre los cuales destaca la
penicilina. Esta sustancia marcó una época importante para la humanidad, ya que
permitió el control de las enfermedades infecciosas.
De gran importancia para la industria alimentaria son algunas levaduras y hongos. Existen varios ejemplos,
como la salsa de soya, la cual se obtiene utilizando a la levadura Saccharomyces rouxii; la producción de
cerveza utiliza la levadura Saccharomyces carlsbergensis y algunos otros tipos de levaduras son utilizadas
para la producción de vino.
Ejemplos de bacterias importantes en la industria son los que se dan a
continuación: la industria alimentaria aprovecha la bacteria Lactobacillus bulgaricus
(búlgaros) o el Streptococcus thermophilus para la elaboración de yoghurt; el
vinagre puede ser producido por la bacteria Gluconobacter suboxidans; algunos
saborizantes provienen de una bacteria conocida como Connebacterium
glutamicum.
La industria química produce acetona y butanol a partir de la bacteria Clostidium
acetobutylicum, algunos polisacáridos (azúcares) a partir de la bacteria
Xanthomonas campestris algunas vitaminas como por ejemplo la B12 es producida
por la bacteria Pseudomonas denitrificans o el Propionibacterium. La industria
farmacéutica fabrica un buen número de antibióticos; Streptomyces, por ejemplo,
produce la anfotericina B, la kanamicina, la neomicina, la estreptomicina, las
tetraciclinas, entre otras y Bacillus brevis produce la gramicidina S.
Otro caso interesante es el de la producción de insecticidas biológicos. Éstos, los
producen dos bacterias, Bacillus thuringiensis y el Bacillus popilliae, y tienen la
ventaja de tener menos efectos nocivos que los insecticidas sintéticos como el DDT.
Pueden, entre otros usos, emplearse en los silos donde se almacenan granos.
Otra serie de productos, como la insulina, la hormona de crecimiento y el
interferón, pueden ser obtenidos mediante técnicas de ingeniería genética
utilizando la bacteria Escherichia coli.
Así pues, la industria microbiológica se encuentra, al inicio de una era importante
en donde se sustituirán probablemente muchos procesos tradicionales por otros
novedosos que serán sin duda más eficaces y menos costosos.