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Curso de microbiologia
GENERALIDADES Y DESARROLLO HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA
Dr. Pedro F. Mateos
Departamento
de Microbiología y Genética. Facultad de Farmacia. Universidad
de Salamanca
I.- GENERALIDADES
II.- DESARROLLO
HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA
Primeras observaciones de los microorganismos
La fermentación como proceso biológico
Descubrimiento de la función de los microorganismos como causantes de enfermedades
Desarrollo en la prevención de enfermedades
I.- GENERALIDADES
Microbiología, el estudio
de los organismos microscópicos, deriva de 3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios (vida) y logos (ciencia) que conjuntamente significan el estudio de la vida
microscópica.
Para mucha gente la palabra microorganismo
le trae a la mente un grupo de pequeñas criaturas que no se encuadran
en ninguna de las categorías de la pregunta clásica: ¿
es animal, vegetal o mineral ? Los microorganismos son diminutos seres vivos
que individualmente son demasiado pequeños como para verlos a simple
vista. En este grupo se incluyen las bacterias, hongos (levaduras y hongos
filamentosos), virus, protozoos y algas microscópicas.
Normalmente
tendemos a asociar estos pequeños organismos con infecciones, enfermedades
como el SIDA, o deterioro de alimentos. Sin embargo, la mayoría de
los microorganismos contribuyen de una forma crucial en el bienestar de
la Tierra ayudando a mantener el equilibrio de los organismos vivos y productos
químicos en nuestro medio ambiente: Los microorganismos de agua dulce y salada son la base de la
cadena alimentaria en océanos, lagos y ríos; los microorganismos
del suelo destruyen los productos de desecho e incorporan el gas nitrógeno
del aire en compuestos orgánicos, así como reciclan los productos
químicos en el suelo, agua y aire; ciertas bacterias y algas juegan
un papel importante en la fotosíntesis, que es unproceso que genera
nutrientes y oxígeno a partir de luz solar y CO2 siendo un proceso
crítico para el mantenimiento de la vida sobre la Tierra; los hombres
y algunos animales dependen de las bacterias que habitan en sus intestinos
para realizar la digestión y síntesis de algunas vitaminas
como son la K y algunas del complejo B. Los microorganismos también
tienen aplicaciones industriales ya que se utilizan en la síntesis de productos químicos
como son acetona, ácidos orgánicos, enzimas, alcohol y muchos
medicamentos. El proceso de producción de acetona y butanol por bacterias
fue descubierto en 1914 por Chaim Weizmann, un polaco que trabajaba en Inglaterra
para Winston Churchill. Cuando estalló la primera guerra mundial
en agosto de ese año, la producción de acetona era esencial
en el proceso de fabricación de las municiones, por lo que el descubrimiento
de Weizmann jugó un papel determinante en el desarrollo de la guerra.
Después de la guerra, rehusó todos los honores que le propuso
el gobierno británico. Sin embargo, utilizó su influencia
para que el gobierno británico ayudara a establecer el estado judío
en Palestina. En 1949, Weizmann fue elegido el primer presidente de Israel.
La industria alimentaria
también usa microorganismos en la producción de vinagre, bebidas
alcohólicas, aceitunas, mantequilla, queso, yogurt y pan. Además,
las bacterias y otros microorganismos ahora pueden ser manipulados para
producir sustancias que ellos normalmente no sintetizan. A través
de esta técnica, llamada ingeniería
genética, las bacterias pueden producir
importantes sustancias terapéuticas como insulina, hormona de crecimiento
humana e interferón.
Actualmente sabemos que los microorganismos
se encuentran en todas partes; pero hace poco, antes de la invención
del microscopio, los microorganismos eran desconocidos para los científicos.
Miles de personas morían en las epidemias cuyas causas no se conocían.
El deterioro de los alimentos no se podía controlar siempre y muchas
familias enteras morían debido a que no existían vacunas y antibióticos disponibles
para combatir las infecciones. Nosotros podemos hacernos una idea de como
se han desarrollado nuestros actuales conceptos de microbiología
repasando los acontecimientos históricos que han cambiado nuestras
vidas.
II.- DESARROLLO HISTORICO DE LA MICROBIOLOGIA
Aunque los microorganismos se originaron hace aproximadamente
4.000 millones de años, la microbiología es relativamente
una ciencia joven. Los primeros microorganismos se observaron hace 300 años
y sin embargo pasaron unos 200 años hasta que se reconoció
su importancia.
Primeras observaciones de los microorganismos
(Leeuwenhoek y sus microscopios)
La existencia de los microorganismos
no se conoció hasta la invención del microscopio. La primera
persona en describir los microorganismos en detalle fue el holandés
Antony van Leeuwenhoek en 1684, a los cuales denominó animáculos.
Leeuwenhoek examinó el agua de lluvia, de mar, de río, saliva
y otras materias. Sin embargo, estas observaciones no condujeron a ninguna
investigación acerca de las posibles actividades de los microorganismos,
ni como agentes de fermentaciones ni de enfermedades infecciosas ya que
el desarrollo de la química y de la medicina era demasiado primitivo.
Origen de los microorganismos (Teoría
de la generación espontánea)
Una vez descubiertos
los microorganismos por Leeuwenhoek se empezó a especular sobre el
origen de estos animáculos. Se formaron dos escuelas. Una de ellas
admitía la existencia de estas estructuras pero apoyaban la teoría
que provenían de la descomposición de los tejidos de las plantas
o animales (eran el resultados de la descomposición y no la causa).
Los que apoyaban esta teoría creían que la vida se generaba
a partir de matería no viva, proceso que se denominó abiogénesis.
Básicamente era el concepto de la generación espontánea.
Del otro lado estaba la teoría de la biogénesis. Los animáculos
se originaban, como ocurre en formas de vida superiores, a partir de animáculos
padres. Hasta que se rechazó la idea de la generación espontánea
se tuvieron que realizar muchos experimentos que parecen simples hoy en
día, pero que en aquellos momentos llevó más de 100
años resolver dicha controversia.
La idea de la generación
espontánea se remonta a la cultura griega, los cuales creían
que las ranas y gusanos crecían espontáneamente a partir del
lodo. Incluso existían recetas: llenando una tinaja con trapos y
colocándola en un sitio apartado durante semanas al final crecían
ratones a partir de los trapos. En el siglo XVII el italiano Francesco Redi
demostró en 1668 que los gusanos encontrados en la carne podrida
eran las larvas que provenían de los huevos que previamente habían
depositado en la carne las moscas y no el producto de la generación
espontánea. Sin embargo una cosa eran los huevos de moscas y otra
los microorganismos que sólo se podían ver con la ayuda del
microscopio.
En 1745 John Needham hirvió trozos de carne
para destruir los organismos preexistentes y los colocó en un recipiente
abierto. Al cabo de un tiempo observó colonias de microorganismos
sobre la superficie y concluyó que se generaban espontáneamente
a partir de la carne. En 1769, Lazzaro Spallanzani repitió el experimento
pero tapando los recipientes, no apareciendo las colonias, lo que contradecía
la teoría de la generación espontánea. Pero Needham
argumentó que el aire era esencial para la vida incluída la
generación espontánea de microorganismos y este aire había
sido excluido en los experimentos de Spallanzani.
Unos 100 años
después, en 1836 Franz Schulze pasó el aire a través
de unas soluciones ácidas fuertes hacia el interior de un recipiente
con carne hervida. Al año siguiente Theodor Schwann pasó el
aire a través de tubos calientes. Los microorganismos no aparecían
en ningún caso ya que los microorganismos presentes en el aire habían
sido aniquilados. Sin embargo, los que apoyaban la generación espontánea
comentaban que el ácido y el calor alteraban el aire de tal manera
que impedía la generación espontánea de los microorganismos.
Sin embargo fue Louis Pasteur el que zanjó definitivamente la controversia
en 1864 al utilizar matraces con un tubo largo y curvado llamados "cuello
de cisne". El aire pasaba libremente a través del cuello, pero
los microorganismos no aparecían en la solución ya que las
partículas de polvo y microorganismos sedimentaban en el recodo del
cuello. Estos experimentos de Pasteur promovieron el reconocimiento de la
biogénesis. Posteriormente Pasteur empezó a estudiar el papel
de los microorganismos en la producción de vino y como causa de enfermedades.
La fermentación como proceso
biológico (Pasteur y el vino francés)
Sin duda desde la Prehistoria los hombres utilizan con provecho las
fermentaciones. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años.
Los jeroglíficos egipcios, así como representaciones gráficas
en todo el Próximo Oriente atestiguan que el hombre recurría
a la fermentación para fabricar bebidas alcohólicas ya varios
milenios antes de Jesucristo. Al preparar el pan, vino, cerveza o sake,
los egipcios, sumerios y todas las personas hasta mediados del Siglo XIX,
empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, una familia de agentes
biológicos muy originales: las levaduras. Son ellas las que realizan
la fermentación alcohólica.
El papel de las levaduras
como agentes fermentadores no fue reconocido hasta 1856 por Luis Pasteur.
Las teorías científicas de esa época reconocían
la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero
estas levaduras eran consideradas como compuestos químicos complejos,
sin vida. Esta era la teoría mecanística liderada por los
químicos alemanes von Liebig y Wöhler. Luis Pasteur, químico
francés, propuso la teoría vitalística y demostró
que las células viables de levaduras causan fermentación en
condiciones anaeróbicas; durante dicha fermentación el azúcar
presente en el mosto es convertido principalmente en etanol y CO2. Sus ilustraciones
claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus
escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.
En el verano de 1856 M. Bigo, un fabricante de alcohol en la ciudad
de Lille, en el norte de Francia, sufría repetidos fracasos en las
fermentaciones de sus productos. En este proceso intervenía la fermentación
de la caña de azúcar para producir alcohol etílico,
pero una y otra vez el contenido de las tinajas se agriaba y al final en
lugar de alcohol, se obtenía una sustancia que despedía un
olor parecido a la leche agria. Sucedió que el hijo de M. Bigo estudiaba
en la Facultad de Ciencias cuyo decano era Pasteur. M. Bigo, a través
de su hijo, preguntó a Pasteur si estaría dispuesto a investigar
los fracasos que estaban ocurriendo con sus fermentaciones, a lo que Pasteur
accedió iniciando el estudio en los laboratorios de la Facultad.
En primer lugar sometió a análisis químico el contenido
estropeado de las tinas llegando a la conclusión de que contenían
una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de etanol.
El siguiente paso fue el examen de los sedimentos de las tinas en las que
la fermentación había sido satisfactoria y el de aquellas
que habían fallado. La comparación de los dos sedimentos reveló
una clara diferencia: en los sedimentos procedentes de las tinas que habían
producido alcohol había levaduras; en los procedentes de las tinas
productoras de ácido láctico se veían "glóbulos
mucho más pequeños que los de la levadura" con lo que
ya disponía de pruebas de que los productos de estas dos fermentaciones
estaban específicamente asociados con el crecimiento de dos microorganismos
morfológicamente distinguibles. Tomó muestras de los sedimentos
de los dos tipos de fermentaciones y los inoculó en tubos que contenían
azúcar como fuente de carbono; en el caso de los "glóbulos
mucho más pequeños que los de la levadura" pudo reproducir
la fermentación láctica y observar los diminutos glóbulos
en el sedimento que aparecía en los tubos. La adición del
sedimento de las tinas en las que se había producido alcohol, dió
una típica fermentación alcohólica apareciendo en el
fondo de los tubos glóbulos de levaduras.
En 1866, Pasteur
publicó la obra titulada "Estudios sobre el vino, sus enfermedades,
causas que las provocan. Nuevos procedimientos para la conservación
y envejecimiento". Entre las mejoras aconsejadas había un método
para aumentar la calidad de la conservación de los vinos consistente
en calentarlos a una temperatura de 68° C durante 10 minutos y después
enfriarlos rápidamente. Esta técnica ha venido a ser conocida
como pasteurización y es ahora ampliamente utilizada en el tratamiento
de la leche.
Descubrimiento de la función de los microorganismos como causantes
de enfermedades (Koch y la bacteria del carbunco)
Ya en 1546 Girolano Fracastoro había sugerido que las enfermedades
podían deberse a organismos tan pequeños que no podían
verse y que eran transmitidos de una persona a otra. Sin embargo, el descubrimiento
de que las bacterias pueden actuar como agentes específicos de las
enfermedades infecciosas en los animales fue realizado a través del
estudio del carbunco, infección grave de los animales domésticos
que es transmisible al hombre. La demostración concluyente de la
causa bacteriana o etiología del carbunco la proporcionó en
1876 Robert Koch, un médico rural alemán. Kosch empezó
a estudiar el mundo microbiano después de que su mujer le regalara
por su 28 cumpleaños un microscopio. Seis años después
Koch anunció al mundo que había encontrado la bacteria del
carbunco (Bacillus anthracis).
Posteriormente él y sus colaboradores descubrieron las bacterias
que causan la tuberculosis y el cólera.
Esta serie de experimentos
se ajustaban a los criterios necesarios para poder establecer la relación
causal entre un organismo específico y una enfermedad específica.
Estos criterios se conocen como los postulados de Koch:
1.- El microorganismo debe estar
presente en todos los casos de la enfermedad.
2.- El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse
en cultivo puro en el laboratorio.
3.- La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo
puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.
4.- El microorganismo
debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.
El descubrimiento posterior de los virus (Dimitri Ivanovski
en 1892; el virus del mosaico del tabaco pasaba los filtros que retenían
a las bacterias), agentes que no crecen en medios artificiales en el laboratorio
como lo hacen las bacterias, han permitido realizar algunas modificaciones
en los postulados de Koch.
Este trabajo sobre el carbunco condujo
rápidamente a la edad de oro de la bacteriología. En 25 años
la mayoría de los agentes bacterianos de las principales enfermedades
humanas habían sido descubiertos y descritos.
Desarrollo en la prevención
de enfermedades (Lister y el fenol; Pasteur y
las gallinas; Fleming y el hongo contaminante)
Actualmente es difícil
comprender la magnitud de la miseria y devastación causada por los
microorganismos antes de 1950. En Europa, durante el período de 1347-1350
ocurrió una epidemia de peste bubónica, conocida como la "muerte
negra" y causada por una bacteria (Yersinia
pestis). A causa de esta enfermedad en Francia
murieron de un tercio a la mitad de la población y se estimó
que en toda Europa murieron 25 millones de personas. Con el conocimiento
de que los microorganismos causaban enfermedades, los científicos
se dedicaron a investigar la prevención y el tratamiento. Los hospitales
adoptaron la antisepsia, la cual previene la diseminación de las
enfermedades infecciosas mediante la inhibición o destrucción
de los agentes causantes. También se descubrió la inmunización,
un proceso que estimula las defensas del cuerpo frente a la infección.
Se empezó a aplicar la quimioterapia, tratamiento de las enfermedades
con una sustancia química, a medida que los investigadores encontrabanmedicamentos
más efectivos. También influyó la sanidad pública,
sobre todo la higiene relacionada con los alimentos y aguas.
Antisepsia: Hacia 1860 un cirujano inglés
llamado Joseph Lister investigaba la forma de eliminar los microorganismos
de las incisiones realizadas en las operaciones quirúrgicas. Por
esa época, las muertes por infección después de una
operación quirúrgica eran muy frecuentes. El propio Lister
tenía anotado en su cuaderno de notas que el 45% de sus pacientes
morían a causa de las infecciones quirúrgicas. Para evitarlo
utilizó una solución diluída de fenol (que ya se sabía
que mataba a las bacterias) para lavar las ropas de los cirujanos y todo
el marterial quirúrgico, así como en spray en el quirófano
durante la operación. Estos experimentos fueron el origen de la técnica
aséptica.
Inmunización:
En 1880 Pasteur utilizó las técnicas de Koch para aislar y
cultivar la bacteria que causa el cólera en gallinas. Para probar
su descubrimiento convocó una demostración pública
del experimento que había sido un éxito repetidas veces en
el laboratorio. Inyectó un cultivo puro de la bacteria del cólera
en gallinas sanas y esperó a que desarrollaran los síntomas
y murieran. Per para su desgracia, las gallinas siguieron vivas. Revisando
el experimento fallido descubrió que había utilizado cultivos
viejos en lugar de cultivos frescos preparados especialmente para la demostración.
Algunas semanas más tarde repitió el experimento usando dos
grupos de gallinas: uno con gallinas inoculadas en el experimento anterior
con el cultivo viejo y otro con gallinas nunca inoculadas. Ahora inyectó
en ambos grupos cultivos frescos. En este experimento las gallinas del segundo
grupo murieron, pero las del primero permanecían vivas. Estos resultados
intrigantes pronto encontraron una explicación para Pasteur. El había
descubierto que la bacteria, si se dejaba crecer durante largo tiempo, podía
volverse avirulenta. Pero esta bacteria avirulenta estimulaba algo en el
hospedador, en este caso las gallinas, que resistían infecciones
posteriores haciéndoles inmunes a esa enfermedad. Pasteur aplicó
este principio de inmunización en la prevención del carbunco
en animales y funcionó. A estos cultivos avirulentos los llamó
vacunas (del latín vacca). Usando este término Pasteur reconoció
el trabajo de Edward Jenner que en 1798 vacunó con éxito a
un niño (James Phipps) de viruela, vacuna que obtuvo de las pústulas
de una vaca con viruela.
El reconocimiento internacional de Pasteur
le supuso un nuevo reto ya que le encargaron que encontrara una vacuna contra
la rabia. En aquel momento no se conocía el agente causante de la
rabia pero Pasteur creía que era un microorganismo. Hoy sabemos que
es un virus. Finalmente obtuvo una vacuna frente a la rabia que funcionaba
en perros, lo cual es diferente a humanos. En Julio de 1885, un niño
llamado Joseph Meister fué mordido por un lobo rabioso, la familia
del niño persuadió a Pasteur para que utilizara la vacuna
en el niño (la enfermedad era mortal) que resultó un éxito.
Posteriormente esta vacuna salvó a un grupo de campesinos rusos que
habían sido mordidos por otro lobo rabioso. Como agradecimiento,
el zar de Rusia envió a Pasteur 100.000 francos que utilizó
para construir el Instituto Pasteur de París.
Quimioterapia: El tratamiento de las enfermedades mediante compuestos químicos
no es nuevo. En 1495 ya se utilizaban sales de mercurio para tratar la sífilis,
aunque este tratamiento hizo bueno el axioma: Graviora quaedum sunt remedia
periculus, es decir "Es peor el remedio que la enfermedad" ya
que determinados tratamientos, como es el caso del mercurio, son tóxicos
para las células animales y humanas. Para que un agente quimioterápico
sea efectivo en el tratamiento de una enfermedad infecciosa no sólo
debe de matar o inhibir al microorganismo causante de la infección
sino que además debe ser relativamente inocuo para las células
humanas al exhibir toxicidad selectiva. El primer gran descubrimiento en
este sentido fue hecho por Paul Ehrlich a principios del siglo XX. Este
médico alemán creía que era posible obtener un compuesto
químico que pudiera curar específicamente la sífilis
sin dañar al paciente. El conocía que el arsénico inhibía
al microorganismo causante de la sífilis (Treponema pallidum) pero
que también era tóxico para las células humanas. Ehrlich
trabajó en la idea de que el arsénico podía incorporarse
dentro de compuestos orgánicos de tal manera que perdiera su toxicidad
para las células humanas manteniendo sus propiedades antimicrobianas.
Después de ensayar 605 sustancias con estas características
encontró un compuesto, el 606, que cumplía estos requisitos.
A esta sustancia la llamó Salvarsan y fue el primer compuesto químico
sintetizado en laboratorio que podía curar una enfermedad sin ser
tóxico para el paciente. Gracias a este descubrimiento le concedieron
el premio Nobel en 1908. Hoy en día ya no se utiliza salvarsan para
tratar la sífilis ya que ha sido reemplazado por un producto mucho
más efectivo, el antibiótico penicilina.
Hasta 1935
no se realizó ningún nuevo avance en quimioterapia. En ese
año Gerhard Domagk trabajando en la Bayer realizó un descubrimiento
importante. Después de llevar a cabo experimentos con más
de 1000 colorantes sintéticos para comprobar si alguno de ellos podía
curar las infecciones causadas por estreptococos en ratones sin dañar
a los animales, descubrió que un colorante rojo llamado Prontosil
era efectivo. Este descubrimiento le valió el premio Nobel en 1939.
Curiosamente, este colorante no era capaz de inhibir el crecimiento de las
bacterias crecidas en laboratorio; sólamente era efectivo cuando
las bacterias crecían dentro del cuerpo del animal. Esta aparente
contradicción fue resuelta en el mismo año por un químico
francés Jacques Tréfouël al observar que el prontosil
era transformado en el cuerpo en un compuesto incoloro diferente que sí
tenía actividad específica frente a bacterias. Esta nueva
sustancia era la sulfonamida. En un corto período de tiempo se determinó
su estructura siendo posible sintetizarla en gran escala y desarrollar nuevos
compuestos que se denominaron sulfamidas que aún hoy en día
se siguen utilizando.
El salvarsan y las sulfamidas son ejemplos
de agentes quimioterapéuticos sintéticos obtenidos mediante
síntesis química en un laboratorio. Sin embargo, existe una
segunda categoría: agentes quimioterapéuticos naturales, llamados
antibióticos. Un antibiótico es una sustancia producida por
un microorganismo que es inhibitoria para otros microorganismos en muy pequeña
cantidad.
En 1928 el microbiólogo inglés Alexander
Fleming observó que en una placa de agar inoculada con Staphylococcus
aureus que estaba contaminada con el hongo Penicillium notatum, las colonias
de Staphylococcus eran destruídas por alguna actividad de las colonias
del hongo. A partir de este hongo realizó la extracción de
un compuesto que era el responsable del efecto inhibitorio al que llamó
Penicilina. Si bien Fleming reconoció el enorme potencial terapéutico
de la penicilina, encontró serios problemas para aislarla y purificarla.
El primer ensayo clínico con una preparación cruda de penicilina
se llevó a cabo el 12 de Febrero de 1941. El paciente era un policía
de Oxford que se estaba muriendo por una infección con Staphylococcus
(septicemia). Al administrarle penicilina se observó un mejoramiento
espectacular, pero 5 días después, cuando se les acabó
la penicilina, la infección volvió a emerger y el paciente
murió. Este ensayo clínico falló debido a que no se
podía obtener una producción a gran escala de penicilina.
En este punto (1940-1941) los británicos estaban inmersos en la II
guerra mundial. Los americanos se interesaron por la penicilina y la fundación
Rockefeller invitó al inglés Florey para que investigara la
producción a gran escala de la penicilina junto con universidades
e industrias farmacéuticas americanas. Esta cooperación hizo
posible que un año después estuvieran disponibles grandes
cantidades de penicilina. Muy pocos descubrimientos científicos han
tenido tanto efecto en el campo de la medicina como el descubrimiento de
los antibióticos.
Microbiología y genética (Neumococos, doble hélice e ingeniería genética)
Antes de 1940 el conocimiento del fenómeno genético provenía
de las investigaciones sobre plantas y animales, pero no se sabía
si estos resultados se podían aplicar a los microorganismos. En 1944
Oswald Avery, Colin MacLeod y MacLyn McCarty descubrieron el papel del DNA
en la genética bacteriana. Encontraron que el material de DNA de
un tipo de neumococos puede transferir una característica hereditaria
a otro tipo de neumococos. Posteriormente, en 1953 Watson, Crick y Wilkins
descubrieron la estructura molecular del DNA. Estos descubrimientos, junto
con otros, establecieron que la información genética de todos
los organismos está codificada en el DNA. Esto hizo de los microorganismos
un modelo muy atractivo para la investigación genética. Actualmente
y utilizando la tecnología del DNA recombinante o ingeniería
genética se pueden transferir fragmentos de DNA de un organismo a
otro.
Colaboradores: Pablo Rojas y Willy Treguear
Interpage@yahoo.com