UNIDAD 17 Microorganismos: enfermedades y biotecnología

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1 UNIDAD 17 Microorganismos: enfermedades y biotecnología

2 Recursos para la explicación de la unidad
Los microorganismos patógenos Las enfermedades infecciosas Ciclo de Entamoeba histolytica Ciclo de Plasmodium Estudio y control de microorganismos La biotecnología microbiana Producción de antibióticos Fermentaciones Control de plagas Alimentación Ingeniería genética Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos El ciclo del carbono El ciclo del azufre El ciclo del nitrógeno El ciclo del fósforo

3 Los microorganismos patógenos
Vector (insecto) Bacterias que producen hialuronidasa Estafilococo Disminución de la cohesión entre las células Fibrinógeno transformado en fibrina

4 Puede producir una enfermedad (no siempre)
Los microorganismos infecciosos Invasión de un ser vivo por microorganismos patógenos INFECCIÓN Puede producir una enfermedad (no siempre) Patogenicidad o virulencia del microorganismo Susceptibilidad del huésped Depende de: Factores ambientales Equilibrio con la flora bacteriana autoctona

5 Los microorganismos infecciosos

6 Fases de una infección Adherencia específica a tejidos del huésped o entrada en células específicas pasivamente o activamente. Penetración Una vez adherido, el microorganismo puede liberar toxinas o penetrar en el tejido y diseminarse por distintas zonas. Reproducción. Una vez ha entrado el microorganismo se multiplica. En general todas las infecciones pasan por tres etapas: Periodo de incubación. Tiempo comprendido entre la entrada del agente hasta la aparición de sus primeros síntomas. Aquí el patógeno se puede multiplicar y repartirse por sus zonas de ataque. Varia el tiempo dependiendo de la enfermedad. Periodo de desarrollo. Aparecen los síntomas característicos. Convalecencia. Se vence a la enfermedad y el organismo se recupera.

7 Factores de virulencia. Las toxinas
Sustancias venenosas de bajo peso molecular producidas generalmente por bacterias, que causan daño en el organismo en el que se encuentran. Exotoxinas: proteínas liberadas al medio extracelular. Entre estas destacan las enterotoxinas que producen infecciones alimentarias. Ej. Toxina botulínica. Endotoxinas: lipopolisacáridos que forman parte de la pared bacteriana y por tanto permanecen unidas al microorganismo.

8 Factores de virulencia. Las toxinas
Exotoxinas Endotoxinas Excretadas por células vivas. Concentración grande en el medio líquido. Parte integral de la pared celular de bacterias gram(-) . Se liberan al morir la bacteria, y durante el crecimiento. No necesitan liberarse para mostrar su actividad biológica. Producidas por bacterias gram(-) y gram (+). Sólo se encuentran en bacterias gram(-) . Polipéptidos de alto peso molecular. Lipopolisacáridos complejos. Relativamente inestables; Se destruyen por calentamiento a temperatura mayores de 60ºC. Relativamente estable; resiste el calor a temperaturas mayores de 60ºC durante horas sin perder su toxicidad. Pueden resistir al autoclave. Altamente antígena. Débilmente inmunógena. Altamente tóxica; mortal para animales en cantidades de µg o menores. Dosis letal pequeña. Moderadamente tóxica; mortal para animales en cantidades de 10 a 100 µg. Dosis letal muy grande. Suele unirse a receptores específicos de la célula. No hay receptores específicos en las células. Por lo general no produce fiebre en el huésped. En general produce fiebre en el huésped. Con frecuencia se controla por genes extracromosómicos (por ejemplo, plásmido). Síntesis dirigida por genes cromosómicos. Específicos para ciertos tipos de función celular. Varios efectos pero principalmente síntomas de choque generalizado o hipersensibilidad.

9 Las enfermedades infecciosas
Enfermedades transmitidas por contacto directo Rabia (Rhabdovirus) Tétanos (Clostridium tetani) Dermatomicosis (hongos) Enfermedades transmitidas a través del aire Resfriado común (Rhinovirus) Gripe (Ortomixovirus) Sarampión (Paramixovirus) Paperas Enfermedades transmitidas por vía sexual Sida Herpes genital Hepatitis B Gonorrea Sífilis Candidiasis vaginal Tricomoniasis Enfermedades transmitidas por el agua o los alimentos Disentería amebiana Poliomielitis Botulismo Salmonelosis Hepatitis A Enfermedades transmitidas por animales Disentería amebiana Poliomielitis Botulismo Salmonelosis Hepatitis A

10 Ciclo biológico de Entamoeba histolytica (disentería)
Agua contaminada Quiste multinucleado Desenquistamiento de la ameba Formación de amebas que pasan al intestino grueso Las amebas fagocitan glóbulos rojos Ameba en estado prequístico Quiste multinucleado Quiste

11 Ciclo biológico del Plasmodium (malaria/paludismo)
3 1 2 4 7 6 5 1. Un mosquito infectado, introduce esporozoitos en una persona. 3. En las células del hígado se forman merozoitos del protozoo. 5. Se forman gametocitos masculinos y femeninos. 7. En el estómago del mosquito se forma un quiste con esporozoides que pasan a su saliva y puede infectar a otra persona. 6. Un mosquito que pica a una persona infectada se lleva los gametocitos. 2. Los esporozoitos pasan a las células del hígado. 4. Los merozoitos invaden los glóbulos rojos.

12 Estudio y control de microorganismos
Robert Koch ( ) fue uno de los más importantes bacteriólogos de todos los tiempos. Descubridor del bacilo de la tuberculosis y el bacilo del cólera y es considerado el fundador de la bacteriología. Trabajó en el aislamiento de agentes infecciosos y reinfecciones a partir de cultivos puros, experiencias a partir de las cuales estableció los “Postulados de Koch”. 1- El agente debe estar presente en cada caso de la enfermedad y ausente en los sanos. 2- El agente no debe aparecer en otras enfermedades. 3- El agente ha de ser aislado en un cultivo puro a partir de las lesiones de la enfermedad. 4- El agente ha de provocar la enfermedad en un animal susceptible de ser inoculado. 5- El agente ha de ser aislado de nuevo en las lesiones de los animales en experimentación.

13 Curva de crecimiento de un cultivo bacteriano
Estudio y control de microorganismos. Crecimiento 1 2 3 4 Curva de crecimiento de un cultivo bacteriano Tiempo de incubación en minutos Logaritmo del número de células viables 1. Fase de latencia 2. Fase exponencial 3. Fase estacionaria 4. Fase de muerte

14 Agente antimicrobiano (a) Bacteriostáticos…
Estudio y control de microorganismos. Control Agente antimicrobiano “Sustancia o Agente capaz de actuar sobre los microorganismos, ya sea inhibiendo su crecimiento o causando su muerte” ANTIMICROBIANOS (a) Bacteriostáticos… Inhiben el crecimiento del microorganismo (b) Bactericidas… Matan a los microorganismos sin necesidad de destruirlos o lisarlos (c) Bacteriolíticos… Matan a los microorganismos por lisis

15 Su actividad está afectada por
Estudio y control de microorganismos. Control Debe cumplir: 1.- Especificidad: Se refiere al espectro de la actividad antimicrobiana, definida por su capacidad de unión a un sitio específico de la bacteria. 2.- Eficacia “in vivo”: Debe ser bacteriostático o bactericida in vivo, es decir, su acción no debe ser revertida en el interior del organismo. 3.- Toxicidad selectiva: Debe ser tóxico para el microorganismo, pero ser inocuo para el hospedero. Esto es indispensable para la utilización del antimicrobiano en clínica. Su actividad está afectada por Tamaño de la población +Tamaño = +Tiempo Composición de la población Naturaleza del microorganismo Concentración e intensidad del agente +Concentración = +Efectividad Temperatura +Temperatura = +Efectividad Duración de la exposición +Tiempo = +Efectividad Entorno del microorganismo Puede protegerlo

16 Estudio y control de microorganismos. Control
Esterilización: “es el proceso mediante el cual células vivas, esporas viables y virus son destruidos o removidos de un objeto o hábitat”. Un objeto estéril es aquel que está libre de microorganismos vivos, esporas o cualquier agente infeccioso. Desinfección: “es el proceso de eliminar, inhibir o remover microorganismos que puedan causar enfermedad”. Desinfectante: “agente, generalmente químico, utilizado para llevar a cabo la desinfección”, normalmente se utilizan sobre objetos inanimados. Antiséptico: “agente químico utilizado sobre tejido vivo” Un desinfectante no necesariamente esteriliza un objeto, ya que pueden permanecer algunos microorganismos o esporas. Sanitización: “es el proceso de reducir la población de microorganismos a niveles considerados seguros por los estándares de salud pública”.

17 Agentes antimicrobianos físicos
Estudio y control de microorganismos. Control Agentes antimicrobianos físicos Calor: causa la desnaturalización de las proteínas de la pared bacteriana y ácidos nucleicos, destruye las membranas. Calor húmedo (20 min a 121ºC): produce la desnaturalización y coagulación de proteínas. Esterilización clásica (120ºC unos 30 min.) Esterilización UHT (140ºC 3 segundos, no proporciona tanta conservación) Calor seco (2 horas a 180ºC) Origina la oxidación de los componentes celulares. Autoclave Horno

18 Agentes antimicrobianos físicos
Estudio y control de microorganismos. Control Agentes antimicrobianos físicos Pasteurización: no pierde sabor ni aromas. Se eleva rápidamente la temperatura a 71,7ºC y se mantiene segundos, para después enfriar (choque térmico) Ultrapasteurización o UHT. Tratamiento por debajo del punto de congelación: Bacteriostático. Radiaciones electromagnética: Ionizantes: (rayos X y gamma) ionizan las moléculas modificándolas. No ionizantes: (UV) producen mutaciones y otros cambios en el ADN Filtración de fluidos o gas.

19 Estudio y control de microorganismos. Control
Indicador de presión Cámara Puerta Corriente de aire Salida al exterior Termómetro Muestras para esterilizar Flujo de aire caliente y húmedo

20 Agentes antimicrobianos químicos
Estudio y control de microorganismos. Control Agentes antimicrobianos químicos Esterilizantes: Destruyen todas las formas microbianas. Formaldehido, glutaraldehido. Desinfectantes: Eliminan microorganismos pero no sus esporas. Hipocloritos (lejía), compuestos fenolíticos, sulfato de cobre. Antisépticos: Contra microorganismos presentes en heridas de la piel. Etanol 70%, solución de yodo, agua oxigenada, jabón, detergentes, clorhexidina (cristalmina) Agentes quimioterapéuticos Antibióticos Funcionan inhibiendo la síntesis de la pared bacteriana, destruyendo la membrana plasmática o inhibiendo la síntesis de ADN, ARN y/o proteinas. Agentes quimioterapéuticos sintéticos

21 Estudio y control de microorganismos. Antibióticos

22 Estudio y control de microorganismos. Antibióticos

23 Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Alexander Fleming (1928): Observó que el hongo Penicillium notatum impedía el crecimiento de Staphylococcus aureus Florey y Chain (1939): aislaron Penicilina G Penicillium notatum

24 Foto original tomada por Fleming
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos Foto original tomada por Fleming Foto actual El hongo Penicillium notatum impide el crecimiento de Staphylococcus aureus...

25 Evaluación de la eficacia
Estudio y control de microorganismos. Antibióticos Evaluación de la eficacia En el laboratorio se puede estudiar la susceptibilidad a antimicrobianos que presentan bacterias aisladas desde una muestra biológica... La susceptibilidad a antimicrobianos, junto con la identidad de la bacteria aislada y ciertos factores del hospedero constituyen las bases para la elección de una terapia antimicrobiana adecuada… Pruebas de susceptibilidad antimicrobiana in vitro: Test por dilución Test por difusión Se realizan según ciertas normas previamente estandarizadas (NCCLS)

26 Estudio y control de microorganismos. Antibióticos
Concentración inhibitoria mínima (CIM) Corresponde a la menor concentración de antimicrobiano que inhibe el crecimiento bacteriano luego de 18 a 24 horas de incubación. Concentración bactericida mínima (CBM ) Corresponde a la menor concentración capaz de matar un 99,9% la población bacteriana.

27 Estudio y control de microorganismos. Antibiograma por dilución
Técnica de referencia en la mayoría de los estudios clínicos de susceptibilidad a antimicrobianos. Entrega un resultado cuantitativo, ya que permite determinar la concentración inhibitoria mínima (CIM). Se puede realizar en medio líquido (dilución en caldo) o en medio sólido (dilución en agar). Método complejo y de alto costo. Lectura del CIM Dilución seriada en caldo CIM

28 “(Técnica de Kirby-Bauer)”
Estudio y control de microorganismos. Antibiograma por difusión “(Técnica de Kirby-Bauer)” Es el método más usado… Es práctico y sencillo de realizar e implementar… Permite analizar un gran número de antibióticos al mismo tiempo y bajo las mismas condiciones… Entrega un resultado cualitativo… (bacteria sensible o resistente)

29 “(Técnica de Kirby-Bauer)”
Estudio y control de microorganismos. Antibiograma por difusión “(Técnica de Kirby-Bauer)” Análisis de varios antibióticos en un mismo ensayo Resistente (No hay halo de inhibición) Sensible (Presencia de halos de inhibición)

30 Discos con antibióticos
Estudio y control de microorganismos. Antibiograma por difusión Discos con antibióticos Halos de inhibición

31 Estudio y control de microorganismos.
Factores que afectan a la actividad antibacteriana pH del medio de cultivo: algunos antibióticos son activos a pH ácido (nitrofurantoína) y otros lo son a pH alcalino (aminoglucósidos). Componentes del medio de cultivo: pueden antagonizar al antibiótico (extracto de levadura antagoniza a sulfonamidas). Estabilidad del medicamento: algunos antibióticos se inactivan a la temperatura de cultivo (clortetraciclina, en menor grado penicilina) Tamaño del inóculo: si hay muchas bacterias, la susceptibilidad es menor y pueden aparecer mutantes resistentes. Tiempo de incubación: si es muy breve los m.o. no mueren; si es muy largo, pueden aparecer mutantes resistentes o inactivarse el medicamento.

32 Estudio y control de microorganismos.
Actividad antimicrobiana “in vivo” Es mucho más compleja, ya que hay que considerar la relación con el hospedero… HOSPEDERO ANTIBIÓTICO MICROORGANISMO

33 La biotecnología microbiana
Otros usos Un microorganismo para ser útil en procesos biotecnológicos debe tener las siguientes características: Crecer rápidamente Poder ser cultivado a gran escala Producir sustancias útiles Hacerlo en poco tiempo PRODUCTOS DE LAS CÉLULAS Enzimas Alcohol Antibióticos Productos químicos Aditivos alimenticios

34 Producción de antibióticos
La biotecnología microbiana Producción de antibióticos Fermentaciones Alimentación Control de plagas Ingeniería genética

35 Producción de antibióticos
La biotecnología microbiana Producción de antibióticos, vitaminas, aminoácidos y enzimas 10. Obtención de viales. Producción de antibióticos 1. Obtención de muestras bacterianas en la naturaleza. 9. Producción industrial. 2. Selección de colonias. 8. Test de toxicidad. 3. Cultivo puro de una colonia. 4. Determinación del efecto de esta bacteria sobre otras. 7. Determinación de la concentración del antibiótico. 5. Inhibición del crecimiento bacteriano. 6. Tanque de fermentación para producir antibiótico.

36 La biotecnología microbiana
Fermentciones y alimentación Tanques de fermentación para elaborar cerveza Elaboración de queso Emmental Control sanitario de alimentos

37 Fermentación alcohólica
La biotecnología microbiana Fermentaciones. Elaboración de vino, cerveza, pan, queso y otros lácteos Fermentación alcohólica Glucosa (C6H12O6)  2 etanol (CH3–CH2OH) + 2 CO2 Fermentación láctica Lactosa (C12H22O11) + H2O  2 glucosa (C6H12O6)  4 ácido láctico (CH3–CHOH–COOH) 2 etanol (CH3–CH2OH) + 2 O2  2 ácido acético (CH3–COOH) + 2 H2O Fermentación acética FERMENTADOR INDUSTRIAL VER FERMENTADOR DE FRINGS

38 Cubierta de enfriamiento
La biotecnología microbiana Fermentaciones. Fermentador industrial Motor Vapor Controlador de pH Cubierta de enfriamiento Escape Caldo de cultivo Impulsores Salida de agua Entrada de agua Aire estéril Cosecha

39 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentador de Frings Entrada de alcohol etílico diluido Goteo del medio de cultivo Virutas con bacterias que transforman el alcohol etílico en ácido acético Ácido acético en la cámara de recolección Grifo de recolección

40 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación acética La fermentación acética es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético. La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino.

41 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica Mediante este tipo de proceso se forman productos como vino, pan o cerveza. Producción de vino Saccharomyces Cerevisiae

42 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica Producción de cava y champan Se sigue el llamado méthode champenoise, en el que se hace una primera fermentación alcohólica igual que en el vino, y una segunda fermentación en botella tras la adición de azucares. El CO2 generado en esta segunda fermentación es el origen de las burbujas del cava

43 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica Producción de cerveza Se obtiene a partir de la fermentación de granos germinados de cereales (cebada, arroz o maíz. Esto es lo que se llama malteado (se generan amilasas que convierten el almidón en glucosa).

44 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación alcohólica Producción de pan Se obtiene de la fermentación de una masa formada por harina de cereales, agua, sal y levaduras. Una vez fermentada, la masa se mete en un horno El CO2 queda atrapado en la masa cocida, formando las burbujas que se ven en la miga del pan. El etanol formado, se volatiliza en la cocción.

45 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación láctica La leche se convierte en ácido láctico por la acción de bacterias de los géneros Lactobacillus, Streptococcus o Leuconostoc. Como resultado de la formación del ácido, baja el pH, y las proteínas se desnaturalizan y precipitan formando la cuajada, a partir de la que se elaboran los diferentes productos lácteos: queso, yogur, kefir…

46 La biotecnología microbiana
Fermentaciones. Fermentación láctica Producción de queso La cuajada sufre una nueva fermentación a cargo de bacterias y hongos que hidrolizan las proteínas hasta dar primero aminoácidos y luego aminas, ácidos grasos y amoniaco. Producción de mantequilla Los Streptococcus de la leche la agrian, generando la nata, a partir de la cual se genera la mantequilla Producción de yogur La fermentación de la lactosa (el azúcar de la leche) en ácido láctico mediante bacterias. El incremento de ácidez evita la proliferación de bacterias patógenas

47 Spodoptera frugiperda
La biotecnología microbiana Control de plagas VOLVER Maíz Spodoptera frugiperda

48 La biotecnología microbiana
Ingeniería genética Endonucleasa de restricción Plásmido receptor ADN donante Consiste en introducir genes de interés en bacterias, cultivarlas a gran escala, obtener la proteína correspondiente y purificarla. También se pueden obtener de esta forma organismos transgénicos. Plásmido recombinante Incorporación del plásmido recombinante Clonación bacteriana

49 La biotecnología microbiana
Ingeniería genética Sustancias obtenidas por ingeniería genética Fármacos Vacunas Hormonas Esteroides Otros usos Proteínas Vitaminas Plaguicidas Como fuente de alimentos No son tóxicos para el ser humano o los animales

50 La biotecnología microbiana
Otros usos Depuración de aguas residuales Biorremediación Proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. Biodegradación Como en el petróleo Biocombustibles

51 TANQUES CERRADOS TANQUES ABIERTOS
La biotecnología microbiana Otros usos TANQUES CERRADOS Digestión enzimática de la MO por fermentación. Después de varios procesos se obtiene metano TANQUES ABIERTOS Proceso aerobio (oxidación de la MO) Se obtiene CO2,NH3, e iones nitrato, sulfato y fosfato

52 Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del carbono Ciclo del azufre Ciclo del nitrógeno Ciclo del fósforo

53 Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del carbono

54 Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del azufre

55 Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del nitrógeno

56 Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos
Ciclo del fósforo