INTRODUCCION A LA MICROBIOLOGIA

Tecnicatura -2015

La Microbiología es una rama de la Biología que estudia a los microorganismos, organismos microscópicos, con importancia básica y aplicada. La palabra microbiología deriva de tres palabras griegas: Mikros: pequeños; Bios: vida; Logos: ciencia. Los mayores grupos son Bacteria, algas, protozoos, helmintos (parasitos invertebrados) y hongos. Los virus son parásitos celulares obligados

Tipos de Microorganismos Celular Procariotas

Acelular Eucariotas

Virus (b) VirusTypes

(a) Cell Types Eukaryotic

Prokaryotic

Nucleus Mitochondria

Chromosome

Ribosomes

Envelope Capsid

Ribosomes Nucleic acid AIDS virus

Cell wall Cell membrane

Flagellum

Flagellum

Bacteria y archaea

Cell membrane

Hongos,algas, protozoos, helmintos

Bacterial virus

Virus y bacteriofagos

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Importancia de los microorganismos Los microorganismos son los primeros organismos que se encuentran en el registro fósil (supervivencia, adaptación y evolución) Llevan a cabo reacciones esenciales en el medio ambiente Los microorganismos se pueden utilizar en investigación Están asociados a enfermedades infecciosas Los microorganismos son ubicuos (corteza terrestre, capas de hielo polares, órganos de plantas y animales, volcanes, fondo del mar…)

Microorganismos en el ambiente • Fotosíntesis microbiana (CO2 --- luz materia orgánica) representan la mayor parte del oxígeno de la atmósfera de la Tierra – Anoxigénico, Oxigenico (70% O2) • Microorganismos son esenciales para la descomposición de organismos muertos en compuestos simples • Muchos elementos biológicamente importantes (S, N, P) son ciclados por los microorganismos = reciclaje de nutrientes – Producción de gas, (hidratos de carbono en ganados)

Evolución de los microorganismos

La información hereditaria en los seres vivos cambia gradualmente a través del tiempo; estos cambios resultan en cambios estructurales y funcionales a través de muchas generaciones Dos ideas preconcebidas: Todas las nuevas especies se originan a partir de especies preexistentes Los organismos estrechamente relacionados tienen características similares, evolucionan a partir de un antepasado común

Línea del tiempo

Cinco Reinos (Whittaker 1969)

Tres dominios (Carl Woese)

16SrRNA

¿Cuál fue la primera célula, tal como la entendemos ahora? Se cree que surgió hace 4.000 Millones de años y luego derivó en : LUCA (Last Universal Common Ancestor) 3.5 - 3.8 mil Millones de años Evidencia: a) un sistema de transcripción y traducción que incluía ribosomas con proteínas, factores de transcripción y una RNA polimerasa DNA-dependiente; (b) metabolismo energético dependiente de ATPasas asociadas a membranas; (c) biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y coenzimas y (d) presencia de un genoma de DNA (Lazcano et al., 1992).

RT DNA Pol

P-lípidos → membranas

Ribo-organismos

mejores catalizadores 1ros ribosomas

4.000 MY

3.500 MY

Qué estudia la microbiología? Ciencia básica: proporciona y desarrolla herramientas para investigar los procesos fundamentales de la vida. Utilizando microorganismos se ha logrado obtener un conocimiento de las bases químicas y físicas de la vida (estudio de vías metabólicas, producción de energía) - comparten muchas propiedades con células de microorganismos multicelulares. - pueden crecer en medios de cultivo de laboratorio con altas densidades de población (biomasa)

Qué estudia la microbiología?

Como ciencia aplicada: trata muchos problemas prácticos importantes en la medicina, la agricultura y la industria. - Enfermedades: Hombre, plantas y animales - Fertilización de suelos (degradación de materia orgánica). Agricultura - Alimentos - Biocombustibles - Biotecnología: mejora procesos (tecnología DNA recombinante, cepas modificadas)

- Ecología y biorremediación (suelo, agua, atmósfera) - Obtención de antimicrobianos, proteínas, enzimas, aditivos - Anticuerpos - Vacunas

Microorganismos en la industria La industria alimentaria: fabricación de queso, yogur. Muchos artículos de panadería y muchas de las bebidas alcohólicas, se fabrican utilizando levaduras. La industria farmacéutica: fabricación de antibióticos, obtención de vacunas, obtención de hormonas (la insulina, utilizando bacterias transformadas con el gen humano de la insulina-especie transgénica). Producción de enzimas que son útiles en la industria alimentaria, textil.... Producción de conservantes (ácido glutámico-potenciador de sabores y aromas, aditivos (ácido cítrico); etanol (combustible): enzimas (proteasasdetergentes)

Biotecnología La Biotecnología constituye uno de los campos más novedosos y prometedores de la Microbiología y contempla el uso de microorganismos en procesos industriales a gran escala. - Ingeniería Genética desarrolla nuevos productos y organismos genéticamente modificados (GMOs) – Tecnología del DNA Recombinante permite diseñar microorganismos para sintetizar hormonas (insulina, hormona del crecimiento), enzimas y fármacos – Terapia génica reemplaza las partes faltantes de genes defectuosos en las células humanas a través de la ingeniería genética

Microorganismos en la conservación del medio ambiente Son útiles en la lucha frente a la contaminación, de manera que se puedan obtener cepas que sean capaces de consumir diversas sustancias tóxicas como vertidos de petróleo, disolventes, etc., para descontaminar aguas subterráneas, suelos o mares.

Impacto en Salud Pública

Sub-Disciplinas de la Microbiología

Bacteriología: Estudio de procariotas Ficología: Estudio de algas Virología: Estudio de virus

Micología: Estudio de hongos Protozoología: Estudio de protozoos

Inmunología: Estudio del sistema inmune

Características de seres vivos La célula es la unidad fundamental de la vida. Una célula aislada es una entidad aislada de otras por una membrana y algunas tienen pared celular exterior. Contiene estructuras químicas y componentes subcelulares

El pequeño tamaño que presentan, les permite: – elaborar una gran cantidad de sustancias con mayor rapidez que en animales y vegetales. – una mayor facilidad de intercambio de sustancias con el entorno, lo que se traduce en una elevada supervivencia. – multiplicarse rápidamente – son ubicuos: se encuentran en todos los ambientes. Dada su simplicidad, fácilmente puede adaptar su metabolismo a las condiciones ambientales, aunque éstas sean muy cambiantes. – fáciles de manipular, por lo que son ideales para la investigación científica.

Importancia de ser pequeño

Una célula pequeña puede llevar a cabo el intercambio de nutrientes mas ventajosamente

Los microorganismos y su medio ambiente o En la naturaleza, las células microbianas viven en poblaciones en asociación con poblaciones de células de otras especies. Una población es un grupo de células derivadas de una sola célula parental por sucesivas divisiones celulares. o El entorno inmediato en el que vive una población microbiana se llama Hábitat. o La diversidad y abundancia de los microorganismos en las comunidades microbianas son controlados por los recursos (alimentos) y temperatura, pH, contenido de oxígeno prevalecen en su hábitat. o Las poblaciones microbianas interactúan entre sí de manera beneficiosa, neutra o perjudicial. Por ejemplo, los productos metabólicos de desecho de un grupo de organismos pueden ser nutrientes o incluso venenos a otros grupos de organismos. o Ecosistema: son todos los organismos vivos, junto con los componentes físicos y químicos de su entorno. Los principales ecosistemas microbianos son acuáticos (océanos, lagunas, lagos, arroyos, hielo, aguas termales), terrestre (superficie suelos, subsuelo profundo), y otros organismos, como las plantas y los animales.

Historia de la microbiología

Causa de las enfermedades Ira de Dios Mal aire Vampiros

Arrepentimiento Sol, altitud, sequedad Estaca en el corazón

Los microorganismos modificaron la historia?

Caída Imperio romano: La historia de los últimos siglos del poder romano es una larga historia de la peste Peste de Antoninus 165 DC duró 15 años y diezmó a la mitad de la población. En 251 a 256 DC, se dice que otra epidemia mató a 5.000 por día. En 542 a 543 DC, la "Plaga de Justiniano", identificado como peste bubónica, tuvo una tasa de muerte de 10.000 por día.

Revolución Americana: Un hecho afortunado fue que Jorge Washintong a los 19 años tuvo viruela y curó espontáneamente. Durante la revolución hubo una epidemia de viruela y los británicos usaron cadáveres para diseminarla entre las tropas estadounidenses pero ellos enviaron soldados que habían sufrido la enfermedad

Los microorganismos modificaron la historia? Un regalo para los EE.UU. del virus Fiebre Amarilla: En 1799, Napoleón terminó su golpe de Estado, se convirtió en Primer Cónsul de Francia, y poco después presionó a España para que firme el Tratado de San Ildefonso. En este tratado, que en un principio se ha mantenido oculto, España cedió la Luisiana a Francia. Si no fuera por el virus de la fiebre amarilla, los de Louisiana tendrían el francés como lengua materna. La enfermedad era endémica de Haití. Los haitianos nativos y sus hijos contraían la enfermedad de forma leve. Los franceses nunca habían estado en contacto con el virus NAPOLEON ABANDONO DEFINITIVAMENTE HAITI Y PUSO EN VENTA LOUISIANA

Los microorganismos modificaron la historia? Los microorganismos como aliados de Napoleón: Napoleón aprendió la importancia militar de la microbiología de la experiencia de Haití y, no mucho después, aplica esta lección para provocar la peor derrota de Gran Bretaña de la guerra napoleónica. En 1805, la marina francesa fue diezmada en Trafalgar por una flota británica al mando del almirante Nelson. La reconstrucción de esta flota se llevó a cabo en la costa suroeste de Holanda, y por lo tanto, en julio de 1809, una fuerza británica fue enviado a destruir la marina francesa reconstruida. Napoleón dijo: “No vengan a pelear con los ingleses, nosotros solo los detendremos con fiebre” (malaria es endémica en Holanda)

Historia de la microbiología

Cómo se descubrieron los microorganismos

Perfeccionamiento de técnicas microscópicas C. Weigert (1875): tinción de bacterias con anilina R. Koch (1882): tinción de Mycobacterium (azul de metileno) P. Ehrlich, F. Ziehl y F. Neelsen (1883): tinción AAR C. Gram (1884): tinción de Gram

Polémica en torno al origen de los microorganismos o o o o o o

Aristóteles (1668) Doctrina abiogénesis F. Redi (1668): origen biológico de los insectos J. Needham (1745): origen espontáneo L. Spallanzani (1749): gérmenes o semillas en el aire L. Pasteur (1861): los microorganismos proceden del aire J. Tyndall (1877): refutado definitivo abiogénesis

Lazzaro Spallanzani (Italia, 1729 - 1799) Físico, biólogo, fisiólogo (reproducción, circulatorio), traductor, sacerdote,….. si carne en caldo de cultivo se calentaba a 100 ºC en frasco cerrado, no se pudría (no ocurría crecimiento bacteriano) Conclusión: no existe la generación espontánea Sus detractores argumentaron que el aire (que él no dejaba pasar) era necesario para la generación espontánea…….y tenían razón en parte. …pero abrió las puertas a Pasteur

Louis Pasteur

Destruyó la teoría de la generación espontánea en 1864 (Experimentos con matraces "cuello de cisne”). • Propuso a los microorganismos como agentes causales de enfermedad. • Trabajó en la fermentación del vino. • Generó la vacuna para la rabia

Fin de la teoría de la generación espontánea

Experimentos de Louis Pasteur con matraces cuello de cisne

Teoría microbiana de las enfermedades infecciosas-Postulados de Koch

Definió los postulados sobre la identificación de microorganismos patógenos. Identificó a los microorganismos como agentes causales de enfermedad Trabajos sobre la etiología del carbunco (Bacillus anthracis) Métodos de estudio de bacterias en cultivos puros

Cumplimiento de Koch en humanos? Marshall + Helicobacter pylori

Desarrollo de técnicas de cultivo puro y esterilización o o o o o o o o

O. Brefeld (1875): cultivos puros de hongos J. Schroeter (1875): colonias aisladas de bacterias R. Koch (1881): siembra en estrías y cultivos en tubo inclinado W. Hesse (1883): agar como solidificante R. Petri (1887): placas de cultivo L. Pasteur (1866): pasteurización J. Tyndall (1877): calentamiento discontinuo C. Chamberland (1879): autoclave

Función de los microorganismos en la transformación de la materia Materia orgánica o T. Schwann (1837): levadura causa fermentación alcohólica o L. Pasteur (1857-76): fermentaciones, aerobio, anaerobio Materia inorgánica o M. Beijerinck (1888) o S. Winogradsky (1889) o Bacterias aerobias fijadoras de N2 o Bacterias reductoras de SO42- y oxidantes de S

Desarrollo de la técnica aséptica o I. Semmelweis (1847): lavado de manos con hipoclorito de Ca o J. Lister (1865): desinfección y técnica aséptica

Antimicrobianos. Breve historia… o o o

o o o o o

1495, sales de mercurio para tratar la sífilis. 1630, descubrimiento de la quinina para tratar la malaria. 1910, Ehrlich químico alemán desarrolló el concepto de toxicidad selectiva y descubrió el uso de compuestos de arsénico (Salvarsan) para tratamiento de la sífilis. 1929, Alexander Fleming, biólogo escocés, descubrió la penicilina. 1935, Gerhard Domagk demostró el valor de las sulfonamidas (Prontosil). 1940, Ernst Chain y Howard Flory demostraron el efecto de la penicilina. 1940-1970, búsqueda de nuevos antibióticos Siglo XXI… nuevos desafíos

A. Fleming

E. Chain

H. Florey

“El papel de lo infinitamente pequeño en la naturaleza es infinitamente grande” L. Pasteur

Instrumentos utilizados para observar:

• Las células que componen los organismos no son visibles a simple vista, por lo que, para poder estudiarlas, es necesario emplear instrumentos que aumenten las imágenes.

Campo claro Campo Oscuro Ópticos

Contraste de fase Confocal Fluorescencia

Tipos de microscopios

Electrónicos

Transmisión Barrido

El microscopio óptico • Está formado por un sistema de lentes y emplea para iluminar un haz de luz. Aumenta las imágenes hasta 1000 veces. • Sus principales componentes son: Oculares. Lentes a través de las que se observa la preparación ampliada. Objetivos. Lentes que aumentan el tamaño de la imagen. Platina. Sobre ella se coloca la preparación, que se sujeta con una pinza. Iluminación. Espejo o lámpara que ilumina la preparación. Tornillos de enfoque. Mueven la platina arriba o abajo para enfocar la imagen.

Objetivo de rastreo (4X): Se observa el especímen completo. Se usa para encontrar imagen. Objetivo de baja potencia (10x): Se usa para enfocar la imagen Objetivo de alta potencia (40x): Se usa para ver la imagen, con mayores detalles. Objetivo de inmersión de aceite (100x): Se usa con aceite, el mismo se añade antes de cambiar de objetivo.

Magnificación

Aumento que logra el equipo

Resolución (D)

Distancia mínima a la cual el equipo puede mostrar dos puntos como entidades separadas

Máxima resolución MO: 0.2 µm

¿De qué depende la resolución?

D=

0,5 . λ

Longitud de onda del haz de luz

FILTRO AZUL

n . senθ

La resolución depende de la longitud de onda utilizada y de una característica propia del objetivo: Apertura numérica. El diámetro del objeto mas pequeño que se puede resolver es igual a 0,5 λ/Apertura

¿De qué depende la resolución?

D=

0,5 . λ

n . senθ

Índice de refracción

ACEITE DE INMERSIÓN

Es el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz cuando pasa de un medio transparente a otro también transparente. Este cambio de dirección está originado por la distinta velocidad de la luz en cada medio. nAire: 1 nAceite:1,5

Imágenes obtenidas con el microscopio óptico • Este tipo de microscopio permite observar células vivas y los movimientos que realizan manteniéndolas en su medio.

• Permite observar tejidos en finos cortes y microorganismos pero en este caso hay que fijar las muestras, de manera que las células están muertas. • Pueden teñirse con colorantes específicos que destaquen estructuras como el núcleo o la pared celular.

Protozoos

Neutrófilos Helicobacter pylori

Microscopio de campo oscuro Es un microscopio óptico en el que el sistema de iluminación incide sobre la muestra solo lateralmente. La única luz que alcanza el objetivo es la dispersada por la muestra. La imagen proyecta estructuras brillantes e iluminadas (células y diversos microorganismos) sobre un fondo oscuro (negro). Se emplea para analizar células sin teñir, probablemente vivas dado que no es necesario procesarlas.

Treponema pallidum

Microscopio de contraste de fases La imagen de las estructuras se observa en diferentes tonos de claro y oscuro, de acuerdo con las distintas densidades que posea la muestra; el fondo aparece poco iluminado y se logra una imagen contrastada. Las células y el medio poseen un índice de refracción (factor que retrasa la luz cuando atraviesa la muestra) distinto al del medio. Dispositivo especial: anillo de fases, situado en la lente del objetivo Es el microscopio más usado para observar células vivas; sin teñir permite observar procesos tales como la mitosis y otros de manera dinámica.

Eritrocitos Humanos

Células HeLa (Henrietta Lacks)

Observar organismos vivos sin necesidad de tinción Zygnema Filamentous Algae

Microscopio de fluorescencia Se utiliza para visualizar muestras capaces de emitir fluorescencia, a una determinada longitud de onda cuando incide sobre ellas una longitud de onda menor. La imagen de las zonas o puntos que quedan marcados con fluorescencia es de un color brillante. Por lo general, las estructuras aparecen poco iluminadas, lo cual permite que la marca fluorescente resalte y permita observarse con facilidad. Se emplea para detectar compuestos fluorescentes que se encuentren en tejidos. Su uso más difundido es con fines diagnósticos y de investigación.

Imagen tridimensional de las células Emplea luz polarizada que pasa a través de un prisma que genera dos haces diferentes de luz, los que atraviesan la muestra y entran en el objetivo. Los dos rayos se combinan y por diferencias en el índice de refracción de las sustancias que atraviesa cada rayo (no estan en la misma fase) crean un efecto de interferencia

•

Microscopio de interferencia de Nomarsky Este tipo de microscopio permite observar una imagen de relieve de las estructuras como su característica principal. Es un sistema poco empleado por su costo.

•

Microscopio de interferencia de Jamin Lebedeff La principal característica de la imagen de este microscopio es que se observa en colores, aunque la muestra no se haya teñido. Se utiliza para el análisis de la composición y el peso celular, pero es de uso restringido.

http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/dic/dicphasecomparison.html

Microscopio confocal o La Microscopía Confocal permite observaciones a una resolución mayor que la microscopía óptica convencional. o Emplea un sistema láser que aplica el haz de luz en forma de barrido, en una pequeña parte del espécimen. El laser aplicado a una longitud de onda determinada en la muestra, hace que moléculas excitadas emitan fluorescencia a una longitud de onda mayor a la aplicada. o La fluorescencia en una muestra puede ser debida a moléculas que se encuentran de forma natural (autofluorescencia-clorofila) o puede ser producida por moléculas aplicadas artificialmente a la muestra llamadas fluorocromos.

El microscopio electrónico • Está formado también por un sistema de lentes complejo pero emplea para iluminar un haz de electrones en vez de luz. Aumenta las imágenes hasta un millón de veces. • Sus principales componentes se encuentran en el interior del sistema y son: Oculares. Lentes a través de las que se observa la preparación ampliada (externos). Objetivos. Lentes que aumentan el tamaño de la imagen (internos). Iluminación. Cañón de electrones que genera un haz que puede atravesar la muestra o rebotar en ella (interno).

Tipos de microscopio electrónico o De transmisión: se trata del tipo original de microscopio electrónico. Un haz de electrones es dirigido hacia una muestra a través de un campo eléctrico creado por electroimanes. Algunos de esos electrones se difractan y son capaces de generar una imagen en la pantalla adecuada. o De barrido: éste tipo de microscopio se basa en realizar sondeos en cada punto de una muestra bañada con oro u otros metales conductores, de modo que cuando el haz encuentre el obstáculo se disipará energía (en forma de calor, luz, interacciones en el propio haz, etc...) y esos cambios serán recogidos por un sensor. Es capaz de crear imágenes en 3D.

Imágenes obtenidas con el microscopio electrónico • Este tipo de microscopio sólo permite observar células muertas, pero la ventaja es que permite estudiar las estructuras internas de los orgánulos celulares y por tanto de las células.

Estructura interna de una célula

Estructura interna de una mitocondria

• En este caso las muestras deben ser muy finas para que puedan ser atravesadas por los electrones y también tienen que estar deshidratadas.

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

Bacilos en división

Mitocondria 60.000x

Bacteria fagocitada por un macrófago

Herpes virus ensamblándose en el núcleo

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Glomérulo renal 1200x

Bacterias sobre un estoma

Glóbulo Blanco

Espermatozoides bovinos

Bacterias sobre un estoma (plantas)

Glóbulo Rojo

Muchas Gracias y bienvenidos a la Microbiología!!