HISTORIA
Las primeras observaciones con relación a las
causas de la enfermedad datan del siglo XIII, cuando Roger Bacon postuló que la
enfermedad era producida por "criaturas invisibles". Más tarde Fracastoro de
Verona (1483-1553) postuló que los gérmenes eran transmitidos de una persona a
otra. En 1658 el monje Kircher reconoció el significado de los microbios en la
enfermedad llamándolos "gusanos invisibles". Von Plenciz, en 1762, propuso que
diferentes gérmenes producen diferentes enfermedades; sin embargo esos hombres
no presentaron prueba alguna de sus aseveraciones.
Anthony van Leeuwenhoek,
nacido en Delft, Holanda, en 1632, al construir microscopios con lentes de
aumentos entre 200 a 300, logró la observación directa de los microorganismos,
que reportó cuidadosamente con dibujos que aún ahora es fácil reconocer. Si bien
el estudio de los microbios se inició en el siglo XIX, principalmente en un
contexto médico, sus reportes exactos de la ubicuidad de los microorganismos
facilitaron a los posteriores microbiólogos de la "Edad de oro de la
microbiología", 200 años más tarde, el descubrimiento de su asociación con la
enfermedad infecciosa, su implicación en la reacciones de fermentación, la
producción de compuestos para combatir las infecciones, entre otros
aspectos.
Los primeros estudios de Pasteur (1822-1895) se relacionan con la
producción de vino, en la ciudad de Lille; estaba convencido de que la
fermentación es un proceso biológico en donde intervenían "fermentos", como él
llamó a las cosas vivas que observaba en el microscopio. Los vinicultores tenían
serios problemas con la fermentación perjudicial del vino. El análisis de los
toneles de vino le permitió demostrar que la acidez, neutralidad o alcalinidad
del medio, tenía un efecto profundo en la actividad de los diversos fermentos.
Encontró que en la fermentación alterada del vino estaban presentes otros
fermentos diferentes a la levadura, que producían alcohol isoamílico, lo que le
daba al vino un sabor desagradable. Cuando se cuidó la fermentación con un
inóculo libre de contaminantes la producción del vino mejoró. Como un corolario
de este trabajo se interesó en estudiar y cuestionar el dogma de la "generación
espontánea".
A su regreso a París inició sus experimentos sobre el tema. En
esa época las opiniones científicas se dividían entre las que consideraban que
los microorganismos se originaban espontáneamente en materiales fermentables y
putrefactos, y aceptaban que la vida se creaba continuamente a partir de materia
inerte por "generación espontánea", y las que sostenían que la vida deriva de
"cosas vivas" con características similares. De forma relativamente sencilla,
Pasteur demostró que el desarrollo de un microorganismo ocurre sólo si existen
microorganismos preexistentes; para lo cual diseñó un matraz especial (figura
1). Como resultado de sus observaciones formuló la teoría de los gérmenes: la
fermentación y putrefacción son causadas por microorganismos que son ubicuos.
Constató que la vida microbiana no aparece en un medio que ha sido esterilizado
y protegido de contaminación posterior. Los microorganismos no emergen del
material en descomposición, sino que vienen del exterior; un líquido estéril
expuesto al aire estéril permanecerá estéril. Como resultado de estos
conocimientos desarrolló técnicas de destrucción de microorganismos como la
pasteurización, la cual consiste en esterilizar varias veces a temperaturas
altas y por tiempos cortos.
Experimento de Pasteur del matraz
"Cuello de Cisne". Un matraz de cuello alto con medio de cultivo fué doblado por
calor y esterilizado. Lo mantuvo sin colocarle un tapón y el matraz permaneció
por varias semanas sin crecimiento de microorganismos, siempre y cuando
permaneciera vertical. Si el matraz era inclinado el polvo con los germenes caía
al medio y se observaba el crecimiento de los microorganismos del polvo.
Pero quizás los estudios que más notoriedad le dieron, fueron los
relacionados con la infección. Para cultivar el agente causal de la enfermedad
concibió la idea de inocular tejidos de animales de experimentación, en lugar de
soluciones estériles; el concepto de selectividad de condiciones de cultivo fue
simplemente cambiar medio de cultivo por células receptoras. En estas
condiciones aisló el bacilo que provoca el cólera de las gallinas, lo mantuvo en
el laboratorio durante un verano, al cabo del cual inoculó a un lote de gallinas
con este bacilo; sorprendentemente las gallinas no murieron. Pero si los
animales eran inoculados con un bacilo recién aislado de las gallinas enfermas
de cólera, éstas morían; si inoculaba a las gallinas previamente inyectadas con
"el bacilo atenuado", y posteriormente con un bacilo aislado de animales con
cólera, las gallinas no presentaban la enfermedad y sobrevivían al cólera.
Posteriormente obtuvo también el bacilo del ántrax atenuado, y desarrolló una
vacuna, la cual comenzó a ser aplicada al ganado bovino y caprino en mayo de
1888. Continuó con los ensayos de vacunación con el agente causal de la rabia.
La primera fase de esas investigaciones las realizó utilizando la espina dorsal
de conejos muertos por rabia, y expuesta por dos semanas al aire estéril, ésta
podría ser escasamente virulenta. Posteriormente inoculó a perros con la espina
dorsal cada vez menos atenuada y logró finalmente proteger a los animales de la
enfermedad.
Otro de los científicos que, junto con Pasteur, puede ser
considerado uno de los padres de la microbiología, fue Robert Koch (1843-1910).
El ántrax era una enfermedad importante que aquejaba a animales domésticos y que
ocasionalmente afectaba a la gente. Koch inició sus investigaciones como un
pasatiempo, sin imaginar que llegarían a ser un modelo para el estudio de la
naturaleza bacteriana en su relación con la enfermedad infecciosa. Sus análisis
microscópicos de muestras de sangre de ovejas infectadas le permitieron
descubrir el agente causal de la enfermedad, describiéndolo como un bacilo
grande que presentaba puntos translúcidos (que posteriormente identificó como
esporas, dauersporum). Con este material inoculó conejos en la oreja; el animal
murió luego de 24 horas. Empleó el humor del ojo del animal como un medio de
cultivo artificial para hacer crecer la bacteria, obteniendo, así, un cultivo
puro del microorganismo que llamó Bacillus anthracis; esto implicaba que el
ántrax era causado por un organismo específico.
Otra de sus importantes
contribuciones fue la adaptación exitosa al microscopio del condensador descrito
por Abbe (que permite obtener una iluminación óptima a lo largo del eje del
microscopio), los lentes de inmersión con aceite y las tinciones de las
preparaciones para la observación de las bacterias. La técnica del frotis que se
usa actualmente difiere muy poco de la descrita por Koch; esta técnica la usó
durante sus investigaciones y descubrimiento del agente causal del cólera. Sus
detallados experimentos sobre el uso de colorantes y métodos de tinción fueron
el fundamento para su trascendental descubrimiento del bacilo de la
tuberculosis. Quizás la mayor contribución al desarrollo de la bacteriología y
la microbiología como ciencias independientes fue la introducción de la técnica
de cultivo puro empleando un medio sólido (placa de Koch). Esto posibilitó que
otros investigadores aislaran y caracterizaran los microorganismos causales de
casi todas las enfermedades infecciosas. La técnica también se empleó para
valorar el número y clase de microorganismos presentes en muestras ambientales:
aire, suelo, alimentos y objetos manufacturados. Por el éxito de sus
investigaciones le fue otorgado un puesto de investigador en la Oficina Imperial
de Salud, en Berlín, donde trabajó en compañía de Friedrich Loeffer (1852-1915),
descubridor de la bacteria Corynebacterium diphtheriae, germen causal de la
difteria, Georg Gaffky (1850-1918), y Bernhard Proskauer
(1851-1915).
DESCUBRIMIENTO DEL BACILO DE LA TUBERCULOSIS
Al
tiempo que Koch inició sus investigaciones, una séptima parte de la muertes
reportadas se atribuían a la tuberculosis, y si se consideraba la etapa
productiva, esta cifra alcanzaba un tercio de la población económicamente
activa. Ocho meses después de haber iniciado sus experimentos, Koch reportó el
aislamiento de la bacteria, la técnica de la tinción fue la llave que abrió la
puerta para del misterio de la enfermedad. Una vez que el bacilo se demostró
fácilmente en los tejidos infectados, la microscopía se usó para seguir las
inoculaciones experimentales y como ayuda en el análisis de los cultivos.
Posteriormente, el procedimiento de tinción fue mejorado por Franz Ziehl
(1857-1926) y Friedrich Neelsen (1854-1894), convirtiéndose en una herramienta
diagnóstica invaluable. La parte crítica de las investigaciones sobre la
tuberculosis -la prueba de que el cultivo puro obtenido del material tuberculoso
causaba la enfermedad-, la realizó en cobayos, animales que son susceptibles de
padecer la enfermedad. Debemos considerar estos trabajos de Koch como la base
para sus famosos postulados sobre los agentes causales de la infección. Años más
tarde continuó con el estudio del agente causal del cólera, epidemia que
afectaba de tiempo en tiempo a la población europea. Debido al fracaso de los
estudios de inoculación del bacilo del cólera a los animales, Koch se interesó
en explorar aspectos epidemiológicos, los cuales aportaron la evidencia faltante
que apoyó la tesis del agente causal del cólera, el Vibrio cholerae, y dieron
datos sobre el vehículo por medio del cual el patógeno es llevado al humano -el
agua. Usando el cultivo y aislamiento del vibrio a partir de contenedores de
agua en la India, los estudios de Koch demostraron claramente que el cólera era
una enfermedad contagiosa cuya diseminación podría controlarse por medio de
medidas que evitan el uso de el agua contaminada.
El estudio de los
microorganismos ha contribuido a fines muy importantes y quizás menos obvios. Su
relativa simplicidad y, en algunos casos, la rapidez de crecimiento y
reproducción, los hace modelos experimentales idóneos para el estudio de los
intrincados procesos de funcionamiento de la célula. Muchos científicos han
recibido el premio Nobel por sus aportaciones en la fisiología, genética y
metabolismo microbiano. Publicados en 1946 por Avery, McCarty y MacLeod, los
experimentos de transformación bacteriana con el neumococo demostraron que el
material genético de la herencia es el DNA. La predicción del modelo de Watson y
Crick de la replicación semiconservativa del DNA fue determinado en la bacteria
Escherichia coli por Menselson y Stahl. Fue la bioquímica microbiana la que
contribuyó a la apreciación que tenemos de la unidad de la bioquímica de la
célula. Los sistemas bacterianos fueron el punto de partida para la descripción
del ácido ribonucléico que lleva el mensaje genético (RNAm), la solución del
código genético, y el discernimiento de los procesos que regulan la expresión
genética por Jacob y Monod. La noción de los virus latentes y el concepto de la
transferencia horizontal (la transferencia de genes entre las bacterias mediada
por plásmidos), fueron desarrollados principalmente en sistemas bacterianos.
MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
Desde los primeros años de la
investigación sistemática de los microorganismos se tuvo conciencia de su enorme
potencial de uso. Los microorganismos son ampliamente utilizados en la industria
(tabla I), entre otras razones, por la enorme variedad de reacciones que son
capaces de realizar, por la posibilidad de adaptarse a varios ambientes, desde
el matraz hasta el fermentador a gran escala, y bajo diferentes condiciones de
cultivo. La manipulación genética y ambiental relativamente fácil posibilita el
aumento de productividad; la capacidad de sintetizar enantiómeros específicos,
en los casos en donde la síntesis química convencional desarrolla una mezcla de
enantiómeros activos e inactivos. En algunos casos la velocidad de duplicación
en tiempos cortos y la captación de nutrientes a tasas elevadas, les permiten
mantener elevadas velocidades de metabolismo.
En el pasado, los microbiólogos
desarrollaron programas de investigación para mejorar la producción de un
compuesto dado, modificando las condiciones de cultivo, obteniendo mutantes, o
bien, actualmente, usando la metodología de DNA recombinante. Estas técnicas han
ayudado a mejorar significativamente la producción de un metabolito determinado.
Por ejemplo, una cepa modificada de Pseudomonas denitrificans produce 100,000
veces más de la vitamina B12. La cepa Oxford original de Penicillum notatum,
produce 5 mg/L de penicilina, actualmente se emplean cepas que sintetizan hasta
60 g/L. Zimomonas mobilis sintetiza 10-12% (V/V) de etanol en un medio óptimo,
en cinco días de crecimiento. Una cepa modificada de E. coli que porta los genes
de la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa de Z. mobilis
sintetiza el 95% (V/V) de etanol en sólo 18 horas. Otra estrategia empleada es
alterar los procesos de regulación normales de la biosíntesis de un metabolito,
como ocurre en Serratia marcescens, cuya biosíntesis de la biotina es reprimida
por la 5 adenilato biotina; una cepa modificada que no responde al mecanismo
represor es capaz de producir hasta 600mg/L de biotina. Esta producción es
competitiva frente a la producción por vía química.
Las plantas han sido una
fuente privilegiada de compuestos empleados en la terapéutica humana, el
anticancerígeno taxol es una de estas sustancias, obtenido de la corteza del
tejo y cuyo costo de producción asciende a 5,000-6,000 dl-USA/g. El desarrollo
de una fuente microbiana para obtenerlo podría bajar considerablemente ese
costo. Un programa exhaustivo de investigación sobre hongos endófitos (que se
encuentran en el interior de la planta), aislados de los árboles productores del
taxol, condujo al aislamiento de varios géneros de hongos que lo sintetizan; uno
de ellos Pestalotiopsis microspora produce niveles de taxol significativos,
especialmente cuando inhibidores de la síntesis de esteroides se incorporan al
medio de crecimiento, cambiando así el flujo de carbono del ergosterol al taxol,
proporcionando de esta manera una vía alternativa del taxol.
El suelo es un
hábitat de muchos microorganismos, explotado intensamente para la obtención de
compuestos naturales que incluyen los antibióticos como las tetraciclinas,
eritromicina, vancomicina, _-lactámicos, cefalosporinas, rifampicinas y
aminoglucósidos (kanamicina, gentamicina, estreptomicina, etcétera). Los
microorganismos del suelo también son productores de otros compuestos como
lipopéptidos, lipoproteínas, glucolípidos y lipopolisacáridos con propiedades
surfactantes, así como proteínas: celulasas, amilasas, proteasas, y lipasas; que
se usan ampliamente en la industria textil, farmacéutica y en la fabricación de
detergentes. Otras enzimas necesarias para la investigación básica y
biotecnológica son las enzimas endonucleasas de restricción, las utilizadas en
la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), las cuales se emplean en los
laboratorios de investigación que realizan estudios con la metodología de DNA
recombinante.
En el pasado, la investigación microbiológica de la industria
farmacéutica se orientó principalmente al combate de problemas agudos,
infecciones bacterianas y fúngicas, analgésicos, hipertensión y otros desórdenes
médicos. Actualmente se enfoca a problemas crónicos y complejos, desórdenes
degenerativos del sistema nervioso, inflamación crónica y autoinmune, cáncer,
inmunosupresión, infecciones virales, etcétera. Además de las estrategias
empleadas para el escrutinio sistemático de nuevos compuestos, se ha iniciado
una nueva metodología de frontera, la cual se enfoca al análisis del metagenoma
(DNA aislado del suelo). Así, un número importante de especies desconocidas de
microorganismos no cultivados del suelo son accesibles y constituyen una fuente
prometedora de productos naturales útiles. En 1998, un grupo de investigadores
de la compañía farmacéutica ARIAD iniciaron un programa para acceder al
metagenoma del suelo, aislaron el DNA de una muestra de suelo, lo clonaron en un
vector especial capaz de portar fragmentos largos de DNA , lo introdujeron a E.
coli, y realizaron un escrutinio de varias clonas, detectando algunas con
actividades interesantes; una de ellas resultó tener una actividad
antibacteriana, la sustancia se aisló y caracterizó resultando un compuesto con
actividad antileucémica llamado indirrubina. Esta estrategia novedosa presenta
algunos retos que será necesario resolver, pero muestra la posibilidad de hacer
investigación relevante y prometedora, sin necesidad de aislar y caracterizar
previamente al microorganismo.
ESTUDIOS FILOGENÉTICOS DE LOS
MICROORGANISMOS
Inicialmente, los microbiólogos se fascinaron por la
diversidad de microorganismos que encontraron en la naturaleza. Sin embargo, de
1950 a 1980, el campo de la microbiología fue dominado por el concepto del
"microorganismo paradigma". La idea de que pocos microbios podrían servir como
buenos modelos para el estudio de los procesos básicos perduró, pero lo que hace
más fascinantes a los microorganismos es lo extraordinario de los arreglos de
reacciones metabólicas que catalizan. A partir de los años 1990 el concepto de
biodiversidad volvió a ser considerado, pero de una forma nueva y excitante,
gracias en parte a los microbiólogos ambientales, quienes guardaron viva la
flama de la biodiversidad durante los años de los "microorganismos paradigma".
Pero, ¿por qué la diversidad es un tópico de actualidad? La revolución molecular
nos ha demostrado cuán diversos son los microbios, y nos ha indicado un reto que
no hemos sido capaces de superar -lo limitado de los microorganismos
cultivables-; sólo sabemos cultivar alrededor de 5,000 especies, lo que
representa 1% o menos de la población total. Igualmente relevante es la
evidencia de la presencia de microbios en hábitats tan extremos como la
profundidad de los océanos, los polos del globo terráqueo, los vientos
hidrotermales, etcétera. Pero la biodiversidad no es el campo único de los
microbiólogos ambientales, las infecciones emergentes aparecen en ambientes
hospitalarios donde no se ha solucionado el problema de la resistencia a los
antibióticos por bacterias que producen infecciones recalcitrantes. Enfermedades
tan diversas como la arteroesclerosis, la artritis reumatoide, los autismos,
entre otras, están siendo reconsideradas en su probable relación causal con los
microorganismos.
¿Cuál fue la metodología que permitió constatar tales
aseveraciones? En los años setenta, Carl Woese analizó una molécula de
distribución universal a nivel molecular, el ácido ribonucléico ribosomal (RNAr
), la región que codifica para el RNAr de la subunidad pequeña del ribosoma
(SSUrRNA); el cual tiene las características de presentar un grado alto de
conservación en su secuencia; aunque contiene regiones pequeñas muy divergentes,
es refractario a la transferencia horizontal de genes, de gran tamaño, y puede
ser aislado fácilmente. Woese obtuvo un sistema adecuado para definir la
relación evolutiva de los microorganismos. El análisis de la secuencia
proporciona la posibilidad de cuantificar las distancias genéticas entre los
organismos a nivel de nucleótidos y provee un medio para la identificación
taxonómica de los organismos. Woese esperaba que las secuencias de los
organismos se ubicaran en dos grupos fundamentales; sin embargo, esto no fue
así, encontrándose tres grupos. Para explicar esta aparente discrepancia,
propuso que hay tres líneas primarias de evolución descendente o dominios,
llamados Archaea (Arquibacterias), (eu)Bacteria y Eucarya (Eucariotes), en lugar
de la clásica división Procariotes y Eucariotes. Estudios posteriores con otros
genes han confirmado definitivamente esta hipótesis. En pocos años, el análisis
de SSUrRNA de secuencias amplificadas por PCR directamente de muestras
ambientales, ha cambiado nuestra percepción de la bioesfera. Los estudios
realizados han indicado que los microorganismos que son cultivados fácilmente,
no son representativos de la población de un hábitat dado. De hecho, los
microorganismos que tienden a ser más abundantes en un ambiente, típicamente son
recalcitrantes a los esfuerzos de su cultivo. Este fracaso se ha atribuido al
fenómeno de sintropismo (la interdependencia de dos o más microorganismos).
Mavin Bryant y Ralph Wolfe, en 1960, describieron varias especies que
transfieren hidrógeno y cada una se localiza en una cadena, de tal manera que no
es posible aislarlas independientemente sino en forma de consorcio o grupo de
microorganismos. La sintropía es probablemente una característica común en los
ecosistemas microbianos. La biología molecular proporciona las vías de estudio
de los microorganismos de diversos entornos sin necesidad de cultivarlos. Desde
1987, los investigadores han catalogado al menos 13 nuevas divisiones
filogenéticas en el dominio de las bacterias y más de una tercera parte son
microorganismos conspicuos y no cultivados. También se han propuesto dos reinos
en las arquibacterias: Crenarchaeota y Euryarchaeota. Además, se propone un
tercer candidato, Koarchaeota, en donde se agrupan varios filotipos
hipertermófilos (figura 2). Más recientemente estos estudios se han aplicado a
microorganismos picoeucariotes (de tamaño pequeño, 1-2 _m) localizados en el
plancton, en diferentes regiones de los océanos. Varios de los filotipos
(secuencia SSUrRNA ambiental representando un linaje no cultivado) de la zona
fótica (la región donde la luz solar penetra, máxima profundidad 200m), se
afilian en grupos fotosintéticos de una amplia diversidad y muchos de esos
filotipos (secuencia de SSUrRNA ambiental representando un linaje no cultivado)
aparecen en regiones geográficas distintas. Estos estudios iniciales sugieren
que una amplia diversidad de microorganismos eucariotes serán descubiertos y no
sólo en los océanos, sino también en otros ecosistemas.
figura 2
EL INICIO DE LA GENÓMICA
MICROBIANA
En julio de 1995, J. Craig Venter y Hamilton O. Smith, de la
compañía Celera Genomics, y Claire M. Fraser del The Institut for Genomic
Research (TIRG), publicaron la primera secuencia completa del cromosoma de un
microorganismo: Haemophilus influenzae cepa Rd. Este hecho marcó un hito en la
historia del estudio de los microorganismos. El análisis de la secuencia mostró
algunas sorpresas. De 1,743 ORF (open reading frame, por sus siglas en inglés, o
fase abierta de lectura, es decir secuencias que son susceptibles de codificar
para una proteína), sólo 1,007 pudieron ser asignadas a una función basándose en
la similitud con secuencias de proteínas previamente descritas. El grupo de
Fraser continuó con la secuencia del genoma de Mycoplasma genitalium, bacteria
que tiene el genoma más pequeño de las especies bacterianas conocidas. Les
interesaba conocer el número y calidad de genes esenciales de la célula.
Posteriormente continuaron con el genoma de Methanococcus jannaschii, una
extraordinaria arquibacteria aislada de las costas de México a 2,600 metros de
profundidad, a 200 atmósferas de presión, que crece a 85°C, y es capaz de
transformar el CO2 a metano y generar la energía para su metabolismo. La
secuencia arrojó los datos siguientes: alrededor del 50% de genes no se
relacionan con secuencias previas, sugiriendo que codifican para mecanismos
fisiológicos inexplorados. Ese mismo año la secuencia del genoma de S.
cerevisiae, el primer eucariote se completó; se encontraron aproximadamente
6,000 genes, y al menos 2,000 de función desconocida.
A partir del análisis
de estas primeras secuencias, varias agencias internacionales iniciaron
programas sistemáticos de secuenciación de microorganismos. Como una parte de
las iniciativas para explorar la contribución de los microorganismos en el
secuestro global del carbono, el Instituto JGI (The Joint Genomic Institute)
secuenció el genoma de la bacteria Nitrosomonas europea. Este organismo tiene un
papel central en la disponibilidad del nitrógeno en las plantas y por tanto
limita la fijación de CO2. N. europea es también capaz de degradar una variedad
de compuestos orgánicos halogenados, incluyendo tricloro etileno, benceno y
cloruro de vinilo, por lo que es un microorganismo atractivo para la
biorremediación, además de ser un participante importante del ciclo
biogeoquímico del nitrógeno. Su hábitat es el suelo, agua, y paredes de
monumentos, especialmente en ciudades contaminadas, donde el aire contiene una
gran cantidad de compuestos nitrogenados. El segundo microorganismo que fue
secuenciado por esta agencia fue Prochlorococcus marinus; se especula que los
miembros de este grupo de cyanobacterias son los más relevantes organismos
fotosintéticos del planeta, siendo responsables de una importante fracción de la
fotosíntesis (del 30-80%) que se realiza en los océanos de climas templados y
tropicales. Esto lo hace tener un papel significativo en el ciclo de carbono
global y en el clima del planeta. Otro aspecto interesante es su contenido de
los pigmentos particulares esenciales para el proceso fotosintético, la
zeaxantina y la ficoeritrina, que emplea en lugar de la clásica clorofila. La
descripción del genoma completo de este microorganismo permitirá un gran avance
en la comprensión de importantes procesos geobioquímicos globales del planeta.
Rhodopseudomonas palustris es una bacteria fototrópica capaz de convertir la luz
solar en energía celular al fijar el CO2 , el N2 y el H2. También degrada y
recicla una variedad de compuestos aromáticos. La bioenergía puede ser un medio
práctico para obtener una fuente de energía barata limpia e ilimitada, por medio
de la utilización de estos microorganismos.
Actualmente han sido publicadas
15 secuencias de arquibacterias, 59 de bacterias y sólo una de eucariotes. En
curso, no concluidas: 11 de arquibacterias, 261 de bacterias y 3 de
microorganismos eucariotes. Ejemplos de ellas son las secuencias de protozoarios
como Entamoeba hystolitica, Leishmania chagasi, Gardia lamblia, Plasmidium
falciparum, Plasmidium vivax, Toxoplasma gondii, de hongos como Aspergillus
fumigatus, Aspergillus nidulans, Candida albicans, Cryptococcus
neoformans.
La velocidad con que un genoma microbiano es secuenciado
actualmente es muy grande, gracias a dos metodologías que han acelerado
notablemente el proceso: el empleo de nucleótidos marcados con reactivos
fluorescentes y las poderosas herramientas computacionales utilizadas en la
resolución de la secuencia.
POSTGENÓMICA
A raíz de la
consolidación del programa genético en los últimos años, la postgenómica es el
punto de partida para las investigaciones en el futuro. Al estudio del
transcriptoma (el repertorio de las moléculas de RNA mensajero que se expresan)
y el proteoma (el análisis de las proteínas y su condición, ya sea normal o
patológica), se le ha llamado comúnmente postgenómica.
El conocimiento de los
genomas de los microorganismos nos facilitará la tarea de su estudio; sin
embargo, su conocimiento no reemplaza la necesidad de conocer las funciones que
realizan en la célula. El número de genes importantes sin caracterizar subraya
el hecho de que contar con el genoma de un microorganismo es justo el punto de
inicio para su comprensión y estudio. Por lo tanto, el gran reto para el futuro
es definir las funciones de las proteínas del genoma y descifrar las redes
funcionales de regulación. Los datos aportados actualmente indican que un
microorganismo puede contener alrededor de 1,000 a 5,000 genes, de los cuales
20-70% de ORFs son consideradas proteínas putativas que son descritas como de
función desconocida. Algunas de la proteínas reguladoras pueden tener una docena
de funciones celulares que pueden variar de una célula microbiana a otra;
además, una proteína puede contener varios dominios funcionales lo cual complica
el análisis estructura-función. Desde luego, la genómica es sólo el primer paso
para discernir los procesos fundamentales que gobiernan la vida. El gran reto en
el futuro es definir la función de las proteínas codificadas por el genoma,
incluyendo el gran número de nuevas proteínas de función desconocida, y
descifrar las redes funcionales de los genomas. Integrar los resultados de los
esfuerzos de secuenciación con la información existente y con una base de datos
bien desarrollada producirá un panorama amplio del metabolismo celular y de la
función genética.
CONSIDERACIONES ÉTICAS
En 1999, la Academia
Americana de Microbiología (AAM) convocó a una reunión para analizar el "estado
del arte de la genómica" en la investigación microbiológica y redactar un
reporte con algunas observaciones:
La organización y la diseminación de la
tecnología y los datos es azarosa. Se señala la ausencia de una amplia discusión
sobre las prioridades y objetivos en la selección de los genomas que serán
secuenciados; en este aspecto el proceso es un tanto caótico y requiere de una
coordinación; debería presentarse una lista de los genomas microbianos que deben
secuenciarse. Los fondos para esta investigación son aportados por agencias
gubernamentales, por ejemplo, en los Estados Unidos están involucrados los
departamentos de defensa, de energía, de agricultura, los institutos de salud y
la agencia The National Science Fundation, así como compañías como TIGR, JGI y
Celera. En Europa participan The European Bioinformatic Institut, The Sanger
Center, el Instituto Pasteur, así como universidades europeas. Los
microorganismos que deben ser considerados para ser secuenciados son los
patógenos para el humano, los patógenos de interés agrícola, los que son
importantes para la producción de energía o para la remediación de
contaminantes, los que son interesantes por el hábitat que colonizan o por su
peculiar estilo de vida. ¿Cuándo y cómo las secuencias deben publicarse? Algunas
agencias o consorcios de investigadores proponen que los datos de la secuencia
no sean publicados inmediatamente, con el fin de que aquellos que han generado
la información tengan la oportunidad de analizar los datos y su significado y
estar seguros de que éstos son correctos. Al parecer, existe una regla no
escrita: los generadores de la secuencia pueden utilizarla de una manera
exclusiva por al menos una etapa del análisis global. En cuanto a la la
informática, es necesario formar recursos humanos entrenados en esa área, pero
con conocimientos profundos en biología molecular, que desarrollen herramientas
poderosas para ordenar e interpretar los datos obtenidos.
CONSIDERACIONES
FINALES
Desde los días de Leeuweenhoek, los microbiólogos han reconocido
que nuestro conocimiento del mundo microbiano depende fundamentalmente de los
avances tecnológicos. Las expresiones macroscópicas de la microbiótica existen
desde luego, en la forma y color de las colonias, biofilms (figura 3), que
representan las agregaciones naturales de la vida microbiana. Pero es obvio que
la expresión de la biota microbiana no puede comprenderse sin un reconocimiento
de sus detalles microscópicos. Sabemos "oler y gustar" los aromas microbianos
con espectrómetros de masas, microelectrodos, avanzadas técnicas cromatográficas
y el empleo de isótopos. Observamos el universo microbiano con el microscopio
electrónico (figura 4). A nivel subcelular, las intrincadas redes metabólicas
son analizadas usando una serie de herramientas bioquímicas y biofísicas. Los
mecanismos de la herencia y la genealogía de la vida misma son expuestos por la
genética avanzada y la tecnología genómica, pero un acercamiento profundo a los
ecosistema naturales representa uno de los grandes retos en la biología
microbiana.
La tecnología, por sí misma, no proporciona un entendimiento
sustantivo del universo microbiano, pensamos que vivimos "la edad de la
información", con excesivos genes, secuencias, reacciones, y datos, los cuales
debemos de integrar para lo cual es necesario desarrollar rápidamente la
bioinformática necesaria para organizarla.
La ecología microbiana necesita de
proyectos para cultivar nuevos microbios, describir la composición y dinámica de
las comunidades microbianas, hacer la metagenómica a gran escala y sin fines
comerciales; estudiar la expresión de los genes y las interacciones in situ,
crear las bases de datos y herramientas informáticas necesarias para poder
interpretar el enorme flujo de datos que se está generando; por lo que será
indispensable incorporar científicos en computación y bioinformática, con
amplios conocimientos en biología molecular. Este es el reto al que se enfrentan
los microbiólogos del siglo XXI.
Bibliografía
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