Sábados de la Ciencia: Historias de Bacterias


El pasado sábado tuve el colofón de una semana dedicada a la biología. La conferencia dentro del ciclo de Sábados de la Ciencia estuvo dedicada a las bacterias. La conferencia fue impartida por Manuel Gónzalez-Carreró del Departamento de Biología Molecular de la Universidad de Cantabria. El ponente estuvo muy bien, con comentarios cargados de humor y de ciencia. Se nota que es un hombre apasionado con lo que hace.

¿Qué son las bacterias?

Las bacterias han formado parte del antiguo reino de los monera. Pero el estudio a nivel de biología molecular de sus miembros y la traza de su evolución genética han dividido el antiguo reino en bacterias y arqueas. De hecho, a partir del estudio genético se ha elaborado el árbol filogenético de los seres vivos en los que solamente hay tres dominios: arquea, bacteria y eukariota (donde están los hongos, animales y plantas)

Las bacterias y sobretodo las arqueas seguramente formaron parte de los primeros seres vivos que poblaron la tierra. Ambos son (micro)organismos unicelulares y prokariotas, es decir, tienen el material genético junto con el resto de órganos dispersos en una especie de sopa en el citoplasma, encerrado entre las paredes de la célula. No poseen un núcleo como los eucariotas.

El tamaño de las bacterias es muy pequeño. En la ponencia se puso una escala de tamaños en donde se podía ver los nanómetros (nm) en donde se encuadran los átomos y las moléculas, las micras en donde se encuentran precisamente los virus y los microorganismos procariotas y unicelulares, y los milímetros (mm) en donde se encuentran los organismos eucariotas y multicelulares.

Es curioso que las bacterias siempre han tenido mala prensa, en el sentido de que siempre aparecen asociadas con enfermedades y contaminación (en quirófanos de hospitales, en sistemas de ventilación, …) No obstante la realidad es que participan en mecanismos de degradación de materia orgánica de la naturaleza que es reciclada y solamente el 0,1% causan daño al ser humano, muchas veces por culpa de un descenso en el nivel en el sistema inmunológico, como curre con el SIDA.

Evolución histórica de la bacteria

Hace aproximadamente 3500 millones de años la vida comenzó a partir de unos entes complejos emergentes, los microorganismos, con una estructura parecida a las arqueas. Esto se sabe por la arqueología y los estudios filogenéticos realizados a los microorganismos actuales. El agua fue el elemento fundamental catalizador de la aparición de estos microorganismos. Por eso los científicos que estudian otros planetas del sistema solar, por ejemplo marte, buscan agua como prueba de la posible presencia de vida (tal y como la conocemos)

A medida que los microorganismos proliferaron dejaron su huella en los estratos geológicos en forma de estromatolitos. Los estromatolitos son estructuras de capas laminadas formadas por los sedimentos dejados por microorganismos primitivos durante las épocas pasadas. Se conocen sedimentos de hace 2800 millones de años. Todavía se pueden ver estromatolitos formándose en la tierra. El único lugar donde se han visto es en Australia. Son como una especie de corales pero formados por bacterias. (En la conferencia se mostró una foto de New Scientist. Yo he buscado imágenes en Google y aparecen algunas como las que se mostraron)

Otro hecho importante provocado por los microorganismos, en concreto la cyanobacterias (las primeras algas procariotas), la liberación de O2 a la atmósfera debido al proceso de fotosíntesis que usan para obtener energía, hace 1800 millones de años. Esta liberación seguramente provocó la oxidación del hierro y la aparición de estromatolitos con sedimentos de hierro. Es una prueba del primer cambio climático dramático que se produjo en la incipiente tierra.

Hasta entonces, los microorganismos que existían en la tierra estaban acostumbrados a vivir sin oxígeno. Para ellos el oxígeno era un veneno. Así que tuvieron que adaptarse (provocando una explosión de biodiversidad) o perecer. Todavía hoy en día existen nichos en donde sobreviven microorganismos anaeróbicos. Así que para adaptarse los organismos inventaron un proceso de gestión del oxígeno para evitar su toxicidad y de paso conseguir la energía que necesitan, incluso más energía que los procesos anteriores sin oxígeno. En esta reacción el hierro es fundamental (metabolismo) Surgen así los microorganismos aeróbicos.

En esta historia evolutiva de la vida y su interacción con las condiciones de la atmósfera, hidrosfera y litosfera está muy bien contada en dos referencias bibliográficas que el ponente introdujo en su presentación:

(1) Las fronteras de la vida de John Postgate. En ese libro se explica el proceso de origen de la vida según los conocimientos que poseemos en la actualidad.

(2) ¿Qué es la vida? de Lynn Margulis. En este libro se explican muy bien estos procesos que hemos comentado en los que las bacterias tienen un papel fundamental.

Además, Lynn Margulis tiene una teoría revolucionaria. Según Margulis hace 1500 millones de años se produce un salto evolutivo. La fuerza de la presión evolutiva hace que aparezcan los organismos eucariotas. Una hipótesis de cómo se produjo es la de la coevolución. En el ecosistema incipiente algunos microorganismos empezaron a depredar a otros. Y algunos de ellos se “atragantaron” y en vez de digerir el microorganismo lo dejaron dentro y lo incorporaron a su estructura. Esto dio lugar a la aparición de “acuerdos” entre dos o más organismos (endosimbiosis) haciéndose la estructura de los microorganismos más complejos y dando lugar por ejemplo a microorganismos que utilizaban la clorofila para conseguir su energía.

Cómo se reproducen la bacterias

Las bacterias se reproducen por división. Aproximadamente cada viente minutos, si las condiciones son favorables, se produce una división que tiene como resultado la aparición de dos individuos idénticos. Se llama bipartición asexuada (o fisión binaria) La evolución de una población de bacterias tiene un límite (normalmente cuando se agota el alimento)

En este punto hay que destacar el hecho de que no exista intercambio genético entre individuos como ocurre en la reproducción sexual que tenemos los humanos. Hay un mecanismo que utilizan las bacterias para intercambiar material genético sin objetivo reproductor. Se llama transferencia conjugativa. Es una especie de sexo pero no para reproducción sino simplemente para aumentar la variabilidad, conseguir nuevo material genético para poder utilizarlo en su momento. El intercambio de genes se realiza con copias, manteniendo una copia para uno mismo. Para transferir el material algunas bacterias tienen un apéndice al efecto. Este mecanismo de intercambio les permite alas bacterias ejecutar estrategias de adaptación “en tiempo real” a nuevos medios. Además, por si esto fuera poco, se ha descubierto que este mecanismo es el responsable del efecto de resistencia a los antiobóticos de ciertas bacterias.

Forma y tamaño

Las bacterias han desarrollado muchas formas y tamaños a lo largo de su etapa evolutiva. Las hay de forma esférica, de forma de puro, … El tamaño varía bastante desde unas micras hasta una de 0,75 mm (Thiomargarita namibiensis) El tamaño de algunas bacterias viene por que muchas son multiploides. Tienen un montón de copias de los genes. Todavía no se tiene muy clara la razón de esta redundancia. El tamaño de algunas de ellas se debe a que llevan esa voluminosa carga.

Anatomía de una bacteria

El ponente explicó por encima la estructura de una célula (cell structure) Una estructura interesante es una de las capas que envuelve la célula que le proporciona protección y resistencia mecánica frente agresiones externas. Es una especie de cesta de mimbre. La estructura y composición de esta capa suele utilizarse por parte del sistema inmune para detectarlas. Algunas sustancias como la ¿tirocitina? disuelven esas capas y eso permite a otros agentes del sistema inmune atacarlas.

Las bacterias se mueven en el medio en el que están siguiendo gradientes de sustancias presentes en el medio (en busca de comida) Para moverse utilizan una especie de extremidades llamados unos flagelos.

¿Qué comen las bacterias?

Dicho de forma burda, desde “piedras” (elementos químicos) hasta animales y plantas. Técnicamente la comida de las bacterias se llaman nutrientes.

El proceso de “digestión” de los nutrientes por parte de las bacterias se basa en reacciones bioquímicas de transformación. Algunas bacterias pueden sintetizar biomoléculas a partir de elementos químicos básicos como el carbono, el oxígeno, el hierro, el potasio, … Otras bacterias necesitan que las biomoléculas ya estén sintetizadas para utilizarlas en su proceso metabólico, por lo que se suelen comer a los primeras. Según puedan sintetizar o no sus propios nutrientes los microorganismos se dividen en autótrofos o heterotrofos. Todos forman la cadena trófica.

Como ya hemos dicho, en condiciones favorables una bacteria se divide cada 20 minutos. El ponente mostró ejemplos de cultivos. En un pequeño tubo de ensayo podía haber miles de millones de bacterias. Se puso como analogía de la progresión de individuos en la población de un cultivo, el caso del tablero de ajedrez en el que se coloca un grano de arroz en la primera casilla, dos en la segunda cuatro en la tercera, … Afortunadamente su crecimiento está limitado. Normalmente lo que pasa es que los recursos que consumen se agotan, o las condiciones del medio en el que se desarrollan cambia, o los depredadores ejercen su control sobre la población.

Las bacterias son capaces de sentir su entorno en busca de comida y/o detectar cambios o amenazas. En un artículo de la revista Science indican incluso que pueden predecir la evolución de su entorno y disponer los medios necesarios por medio de la expresión adecuada de sus genes para colonizar de forma adecuada un nicho. Este es el artículo de Science:

Predictive behavior within microbial genetic networks
Science May 8 (2008), doi:10.1126/science.1154456

Tagkopoulos I, Liu YC, Tavazoie S.

We question whether homeostasis alone adequately explains microbial responses to environmental stimuli, and explore the capacity of intra-cellular networks for predictive behavior in a fashion similar to metazoan nervous systems. We show that in silico biochemical networks, evolving randomly under precisely defined complex habitats, capture the dynamical, multi-dimensional structure of diverse environments by forming internal models that allow prediction of environmental change. We provide evidence for such anticipatory behavior by revealing striking correlations of Escherichia coli transcriptional responses to temperature and oxygen perturbations-precisely mirroring the co-variation of these parameters upon transitions between the outside world and the mammalian gastrointestinal-tract. We further show that these internal correlations reflect a true associative learning paradigm, since they show rapid de-coupling upon exposure to novel environments.

(Also see “Pavolv’s Bacteria“) (ScienceNow)

¿Cómo se cultivan las bacterias?

Las bacterias, para su estudio, deben de ser cultivadas. El conocimiento que hemos descrito con anterioridad sobre su alimentación es importante. Como normas generales se debe, en primer lugar, proporcionar un ambiente físico y químico adecuado (temperatura, nivel de oxígeno, …) En segundo lugar se deben de proporcionar los nutrientes, la fuente de materia y energía. En tercer lugar se debe dar la mezcla correcta de nutrientes (recordar que algunas bacterias son capaces de sintetizar sus propios nutrientes a partir de elementos químicos concretos presentes en el medio y otras necesitan moléculas ya formadas)

Me pareció curiosa la curva de evolución del número de bacterias en el tiempo, de una la población sacada del frigorífico (donde se suelen conservar) a un medio de cultivo adecuado, en principio desconocido para ellas.

      ______(3)______
     /              \
 (2)/                \(4)
---/
 (1)

La fase (1) se llama “lag phase”, en la que las bacterias tantean el nuevo medio, lo exploran, lo “sensan” y activan los genes adecuados para poder aprovecharse mejor de las condiciones del medio. Luego las cosas se disparan en (2) con las bacterias en crecimiento exponencial aprovechando al máximo el nuevo entorno. En el codo de (2) a (3) aparece el llamado factor limitante que estabiliza la población. Luego en (3) se tiene el estrés nutricional (otra expresión de genes) que mantiene el equilibrio, hasta que en (4) se produce el declive de la población.

La idea central que creo que hay que destacar aquí es la de la exposición al entorno desconocido y la expresión de genes adecuada para la supervivencia tras analizar el medio (recordar el artículo de Science)

Hay que destacar que para cada cepa de bacterias la curva puede variar, ya que no todas las cepas se adaptan igual al mismo medio.

Procedimientos de cultivo en laboratorio

Se dieron recetas concretas y demostraciones espectaculares de cultivos realizados por el ponente para presentar en su exposición. Los cultivos se pueden realizar en medio líquido o medio sólido.

En medio líquido se debe hacer una preparación previa del matraz que contiene el líquido con los nutrientes que se deben purificar en un autoclave (una olla a presión puede ser un sustituto casero del autoclave, aunque la presión es inferior que en un autoclave, lo que se traduce en un tiempo de proceso más tiempo) Tras eso se deben introducir las bacterias. Es conveniente utilizar un mechero bunsen para purificar las bocas de los tubos de ensayo y matraces para evitar contaminaciones.

En medio sólido se debe extender una fina capa de nutrientes sobre una placa de petri. Una vez hecho esto se extienden las bacterias. Para esto se puede usar un hisopo, que es un palillo de madera con la punta cubierta de algodón (como los que se usan para limpiar las orejas)

Se contó el caso de Alexander Fleming, el hallazgo de la penicilina, al contaminarse un cultivo de bacterias con un inhibidor de su crecimiento. Siguiendo con el ejemplo, se mostraron cultivos con diversos inhibidores de bacterias (tomillo, p.e, que contiene tomol) hechos por el ponente. El resultado de estos cultivos (todos en medio sólido) se llaman antibiogramas (medio sólido + sembrado + puesta del antibiótico) Este proceso es el que se realiza en el campo de la farmacia para obtener los principios activos de la naturaleza (plantas, por ejemplo)

También se mostraron ejemplos de cultivos realizados por el ponente a partir de muestras sacadas de los sitios más variopintos (fregaderos, en una corriente de aire en una habitación, …) Finalmente se vieron ejemplos realizados en laboratorios como cultivos con bacterias fluorescentes.

Fase participativa

En línea con la filosofía de los sábados de la ciencia el ponente, tras explicar el asunto de los cultivos repartió un kit a varios voluntarios de entre el público para que hicieran un experimento en directo de siembra de bacterias en un medio sólido (sacadas con un hisopo del sitio que quisieran) y les entregó una hoja para que anotaran los resultados y los comunicaran al ponente en los días sucesivos.

7 comentarios en “Sábados de la Ciencia: Historias de Bacterias

  1. Repasando mis notas de la conferencia me he dejado algunas cosas en el tintero, cosas que no sabía donde meter en la crónica.

    La primera cosa que tengo anotada que no sé donde colocar es el asunto de la tinción de Gram, una técnica utilizada en microbiología para visualizar las bacterias en muestras clínicas. Esta técnica divide a las bacterias en dos grupos, las que la aceptan y se tiñen, llamadas Grama-positivas, y las que no, llamadas Grama-negativas. Esta característica revela la naturaleza de la estructura de su pared celular. El tema salió, creo recordar, a colación cuando se habló de la estructura de la célula bacteriana en la conferencia y de la capa que la envuelve.

    Otro asunto importante fue introducir el papel de las bacterias en la biomasa (cantidad de materia viva) de la biosfera (sistema material formado por el conjunto de los seres vivos propios del planeta Tierra, junto con el medio físico que les rodea y que ellos contribuyen a conformar) de nuestro planeta. Según los datos aportados por el ponente que tengo anotados (que pueden estar mal recogidos) la cuantificación de la masa viva debida a las bacterias en la biosfera es de 6 * 10^18 (¿unidades?) También nos proporcionó el grado (medida) de la diversidad en el ADN de las bacterias estimado a partir del estudio genético de las mismas, cifrado en 1 * 10^9 (¿unidades?) Estos dos datos son claves para responder a la pregunta de ¿qué es una especie bacteriana?

  2. Hay ejemplos muy interesantes de bacterias presentes en la naturaleza que se mencionaron en la conferencia y que me dejaba en el tintero.

    El primero es un ejemplo de coevolución (consorcios bacterianos o endosimbiosis) que es el de las termitas y las bacterias que tienen en su aparato digestivo, que utiliza para digerir la lignina. Este sorprendente caso de endosimbiosis se descubrió al realizar el mapa de su genoma. Aparecieron cromosomas extraños que resultaron ser de la bacteria que viven en su estómago. Otro caso similar al anterior es el del molcuso llamado “la broma” (T. Novalis), que se alimenta de madera y llegó a ser una plaga en los galeones españoles.

    Se da el caso de que los microorganismos alcanzan tal dependencia con su huésped que llegan a ser incapaces de sobrevivir fuera de él.

    Las bacterias mismas se pueden asociar entre sí en una relación simbiótica para adaptarse a diferentes medios, formando los llamados biofilms, en donde cada parte aporta a la otra lo que necesita para sobrevivir. Se mostraron ejemplos de esta curiosa asociación como la placa bacteriana dental, y la obstrucción de una sección de cañería procedente de Aqualia con otro biofilm bacteriano también fue muy espectacular. Es lo mismo que pasa en las arterias del ser humano, por otra parte.

    Finalmente, se mostraron medios extremos en donde viven las bacterias, como por ejemplo las que viven en condiciones extremas como las chimeneas volcánicas en el fondo del mar con altas temperaturas y altas concentraciones de minerales.

  3. Más cosas que tengo perdidas entre mis notas :)

    Las aplicaciones de las bacterias

    Las bacterias se han utilizado desde hace bastante para la producción industrial de sustancias químicas provechosas para el hombre. Para hacer esto se han empleado técnicas de ingeniería genética consistentes en insertar un gen conocido que sirve para sintetizar una sustancia determinada cuando se expresa. A esto se le llama transgénesis (transgene)

    Un ejemplo de sustancia sintetizada es la insulina. Para llegar a saber cómo se produce la insulina se ha tenido que estudiar la manera en que se produce de forma natural.

    No solamente se pueden producir sustancias químicas modificando genéticamente bacterias sino que se pueden conseguir otros efectos como el de la bioluminiscencia (ver fotos que he buscado en Google), insertando por ejemplo el gen que permite a algunos animales emitir luz en el cromosoma de una bacteria y hacer que se active cuando se producen determinadas condiciones.

    Por cierto sobre este tema de luminiscencia hay un artículo muy bueno en el blog de un ioquímico de la Universidad del País Vasco.

  4. Gracias Manuel, creo que voy a tener un ojo en vuestro blog e intentaré hacer algún comentario útil. Mis conocimientos en este campo están en pañales y necesito ponerme al día rápidamente ya que es un tema que me interesa mucho, tanto desde el punto de visto biológico como ingenieril (llevar a la ingeniería en computación evolutiva las ideas de los sistemas biológicos y utilizar esa misma ingeniería para diseñar ab initio sistemas biológicos sintéticos o híbridos)

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s