La Biología y la Microbiología del S-XXI. Microorganismos, salud y vida

José Juan Aguilar Gavilán Dpto. Microbiología

Tema 1. Microorganismos, ¿amigos o plagas? Los microorganismos como soporte de la vida. Tema 2. Microbiología Industrial, microorganismos y procesos industriales. Productos lácteos; bebidas alcohólicas; producción de vinagre y de pan. Tema 3. Principios y realidades de la Biotecnología. ¿Compromete la biotecnología nuestras vidas?

Tema 4. Los insecticidas biológicos, ¿una alternativa a los pesticidas y demás compuestos químicos? Tema 5. Vacunas y terapias de nueva generación. Tema 6. Células madre, el debate está servido.

Tema 7. Cáncer y marcadores tumorales: Las nuevas terapias. ¿Pueden los virus acabar con el cáncer? Tema 8. Nanotecnología ¿ciencia ficción? La nanomedicina y sus logros. Tema 9. El antropozoico, la revolución industrial y el cambio climático. Tema 10. ¿El virus del juicio final? El virus Zika y otras enfermedades emergentes. Tema 11. El síndrome del edificio enfermo. Tema 12. Armas químicas y biológicas. Bioterrorrismo y Guerra Biológica.

Objetivos  Que seamos conscientes de la importancia que los microorganismos tienen en la Salud de nuestro planeta.  Dar a conocer los fundamentos de las disciplinas denominadas “Microbiología Industrial”, “Biotecnología” y “Nanotecnología”.  Estar al corriente sobre los avances más recientes en Biología, Ciencias Ambientales y Medicina, resaltando la destacada contribución de los microorganismos a los mismos.  Tener capacidad de dar una explicación lógica a los citados avances y de entender los pros y contras de los mismos.  Estar en condiciones de entender y opinar con un criterio lógico y sensato, huyendo de alarmismos y sensacionalismos, sobre cuestiones actuales relacionadas con nuestra salud y la del entorno en el que se desarrolla nuestra vida.  Incorporar a nuestra clase, al tratar cuestiones relacionadas con temas concretos del programa (como por ejemplo, enfermedades causadas por determinados virus emergentes –como el del Sida, el Virus Zika, el Virus Ébola, etc.-), a alumnos del último curso del Grado de Biología o a recién graduados, para que den respuesta a cuántas preguntas se os ocurran sobre dichos temas, y convertir así nuestro Aula en un foro de auténtico debate “intergeneracional”.

España declara los dos primeros casos autóctonos de Fiebre hemorrágica Crimea-Congo detectados en Europa Occidental

F. Bunyaviridae (G. Nairovirus)

Virus de la fiebre hemorrágica Crimea-Congo (CCHFV) Caracterizado por 1ª vez en Crimea en 1944, se le implicó en la “fiebre hemorrágica de Crimea”. En 1969 se reconoció que era el mismo virus que desde 1956 causaba en el Congo una fiebre hemorrágica similar, dándosele definitivamente su nombre actual.

Virus causantes de fiebres hemorrágicas*

Arenaviridae

Bunyaviridae

Complejo antigénico del Nuevo Mundo Virus Junin (Fiebre hemorrágica argentina) Virus Machupo (Fiebre hemorrágica boliviana) Virus Guanarito (Fiebre hemorrágica venezolana) Virus Pirital Virus Sabia Complejo antigénico del Viejo Mundo Virus Lassa Virus de la coriomeningitis linfocitaria

* F. Togaviridae (G. Alphavirus)

Virus Chicungunya Virus o’nyong’nyong

Flaviviridae

Filoviridae

Denguevirus tipos 1 a 4 Virus Zika Virus de la fiebre amarilla Virus del bosque de Kyasanur Virus de la FH de Omsk

Virus de Ébola Virus de Marburg

Hantavirus del Nuevo Mundo

(Virus Hantaan; Virus Puumala; Virus Seoul y

Virus Dobrava-Belgrado) Hantavirus del Viejo Mundo (Virus sin nombre; Virus New York; Virus Bayoli; Virus Black Creek Canal; Virus Andes) Phlebovirus (Virus de la fiebre del valle Rift)

Nairovirus (Virus de la FH Congo-Crimea)

¿Cómo se transmiten los virus causantes de fiebres hemorrágicas? Los seres humanos nos podemos infectarse de varias maneras:  Por contacto con la orina, material fecal, saliva u otras excreciones corporales de roedores infectados.  Al ser picado por mosquitos o garrapatas infectados.

 El contacto con el cuerpo de animales infectados muertos.  El contacto estrecho de la piel o de las membranas mucosas con la sangre de personas infectadas, con sus tejidos y sus fluidos corporales.

Características comunes de los virus causantes de fiebres hemorrágicas  Son todos virus de ARN envueltos.  Los virus están geográficamente restringidos a las zonas donde viven sus hospedadores principales.  Su supervivencia depende de un animal o insecto hospedador, llamado “reservorio natural”. Distribución geográfica de Arenavirus y de sus

 Los humanos no son reservorios natu- reservorios naturales (roedores) rales de ninguno de estos virus.  Salvo pocas excepciones, no existe cura o tratamiento con medicamentos para estas enfermedades.

 Los brotes en humanos o los casos de estas enfermedades ocurren esporádicamente e irregularmente, haciendo difícil predecir los brotes.

Virus de la fiebre hemorrágica Crimea-Congo

 Hyalomma marginatum

 Hyalomma rufipes Phylum: Arthropoda Clase: Arachnida Subclase: Acari Superorden: Parasitiformes Orden: Ixodida Familia: Ixodidae Subfamilia: Hyalomminae Género: Hyalomna

Ciclo de vida de Hyalomma sp., la garrapata transmisora de la fiebre hemorrágica Crimea-Congo (CCHF, siglas de “Crimea-Congo Haemorrhagic Fever) Adultos

Ungulados

Huevos

Ciclo de vida de la garrapata

Ninfa

Larva

Hospitales

Humanos

Pequeños mamíferos y roedores

Transmisión nosocomial

Distribución geográfica de la fiebre hemorrágica Crimea-Congo (CCHF) (OMS, 2008) 50º Latitud N: límite de distribución geográfica Hyalomma spp.

Presencia de Hyalomma spp. (1) Evidencia serológica o virológica de CCHF y (1) Entre 5 y 49 casos al año de CCHF 0 850

1.700

3.400 Km

Más de 50 casos al año de CCHF

Presencia del virus de la fiebre hemorrágica CrimeaCongo (CCHF) en animales salvajes y domésticos (Spengler et al., 2006)

Búsqueda de anticuerpos del CCHFV, sin casos positivos Búsqueda de anticuerpos del CCHFV, casos positivos notificados Sin búsqueda de anticuerpos del CCHFV

Total de animales muestreados a nivel mundial*

Animales muestreados con anticuerpos frente al CCHFV (% seropositividad)

Búfalos Camellos Vacas Gallinas/Patos Perros Burros Cabras Caballos Mulas Avestruces Cerdos Ovejas

Búfalos Camellos Vacas Gallinas/Patos Perros Burros Cabras Caballos Avestruces Ovejas

* Gráficas y Tablas extraídas del artículo titulado “Seroepidemiological Studies of Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus in Domestic and Wild Animals”. Publicado por Jessica R. Spengler, Éric Bergeron y Pierre E. Rollin el 7 de enero de 2016 en PLOS.

n Búfalos Camellos Vacas Gallinas/Patos Perros Burros Cabras Caballos Mulas Avestruces Cerdos Ovejas

% de Países seropositivos Estudios representados

Brote de fiebre hemorrágica Crimea-Congo en España

Hospital Infanta Leonor

Hospital Universitario Gregorio Marañón

282 La enfermera ingresada el 31 de agosto recibió el alta médica el pasado 20 de septiembre. Durante 15 días se vigilará al personal sanitario que la ha tratado y, de no darse ningún caso, el brote se podrá considerar extinguido.

Microorganismos, ¿amigos o plagas? Microorganismos Microbiólogo/a

Clasificación por tamaño de organismos y agentes parásitos Disciplina

Grupo parasitario

Virología

Priones Viroides Agentes subvirales Virus

350 KDa. 130 KDa. 25-450 nm.

Bacteriología

Clamidias Micoplasmas Rickettsias Otras bacterias Microorganismos

0,2-1,5 μm. 0,3-0,8 μm. 0,5-2 μm. 1-10 μm.

Micología

Hongos

3-15 μm (diámetro hifas)

Protozoología

Protozoos

1-150m.

Nematodos Platelmintos Parásitos

3 mm.-30 cm. 1 mm.-10 m.

Entomología

Garrapatas y ácaros

0,1-15 mm.

Zoología

Gusanos con cerdas Mesozoos Sanguijuelas

Helmintología

Parasitología

Tamaño aproximado

Ectoparásitos

10-20 cm. Hasta 1m. 1-5 cm.

Bacterias

Virus

Hongos

Algas

Protozoos

 Su tamaño pequeño y la rapidez con que se reproducen* les confiere una gran capacidad de dispersión.  Su variabilidad y flexibilidad metabólica les permite tolerar condiciones medioambientales desfavorables.

Streptococcus (1 m)

* Una sola bacteria, con un tiempo de generación de 20 minutos, creciendo de forma exponencial durante 48 h. formaría una población que pesaría unas 4.000 veces más que la Tierra (esta pesa unos 6.600 trillones de toneladas), algo impresionante habida cuenta que una sola bacteria pesa solo 10-12 gramos.

Rhodobacter (bacteria fototrófica capaz de crecer también en la oscuridad, tanto anaeróbicamente como en presencia de O2, utilizando materia orgánica o inorgánica como fuente de energía).

 Su plasticidad genética les hace adquirir por recombinación caracteres favorables para adaptarse fácilmente a los cambios en sus hábitats naturales, justificando su persistencia en los mismos. Mycobacterium tuberculosis (la aparición de estirpes multi-

resistentes a los fármacos eficaces contra la cepa silvestre ha permitido la reemergencia de brotes de tuberculosis en zonas en las que se había erradicado la enfermedad).

Los microorganismos, omnipresentes en la Tierra

No transcurre un día de nuestra vida sin que nos veamos expuestos a agentes infecciosos

Con excepción de la música y la danza, el impacto de los microbios en el resto de las artes clásicas – arquitectura, escultura, pintura y literatura- es notable. Incluso en lo que respecta a la música, la acción de microorganismos patógenos podría considerarse también destacable, pues cercenó la vida de ilustres genios musicales.

Beethoven (1770-1827) Schubert (1797-1828)

Chopin (1810-1849)

Tchaikowsky (1840-1893)

Microbiota corporal

Residentes (microbiota autóctona)

 Se denomina “microbiota corporal” al conjunto de microorganismos (la mayoría bacterias) que viven íntimamente asociados a las superficies corporales de cualquier ser vivo.

Transeúntes (microbiota alóctona)

Por cada célula humana, existen 10 células microbianas en nuestro organismo (suponen del 1-3% del peso corporal)

Liping Zhao (Dpto. de Microbiología de la Escuela de Ciencias de la Vida y de Biotecnología, Universidad Jiao Tong de Shanghai, China, 2008).

“Somos superorganismos”, una interacción de dos genomas: el humano (estable, heredado de los padres, de unos 19.000 genes), y el microbioma (genoma de los microorganismos comensales que conforman la microbiota, un genoma flexible, adquirido del medio ambiente, de 8.000.000 de genes).

El estudio del microbioma humano deja entrever que el organismo no podemos considerarlo como algo separado de los microbios, en realidad es un conjunto cambiante de ecosistemas. Nuestra salud depende, en buena medida, del equilibrio de esos ecosistemas y, por ende, de la diversidad de nuestros microbios. Para abordar terapias frente a diversas patologías será vital entender qué transforma a una población comensal en patógena y cómo evitar desequilibrios en la composición del microbioma.

Medicina y Salud Pública  Enfermedades infecciosas  Prevención de enfermedades infecciosas  Tratamiento y curación de enfermedades  Belleza y estética

Incidencia de la muerte negra en Europa (año 1353) Muerte negra (peste bubónica), irrumpe en Europa en 1347 y en 4 años acabó con el 75% de la población (25 millones de muertes).

6

V

5

4

V

* *

* *

V

* Importada desde Crimea por un navío genovés, la muerte negra rápidamente se extendió por regiones de la costa europea (desde Génova a la Provenza, al Languedoc, a Cataluña y Valencia), para después penetrar en el interior del la zona continental del occidente europeo (en el mapa, las diferentes tonalidades de rojo muestran las áreas de incidencia desde más temprana a más tardías, numeradas del 1 al 6). En color verde (marcadas con la letra V) aparecen reflejadas aquellas zonas en las que la peste tuvo menor incidencia.

3 2 1

La colonia genovesa de Kaffa, en Crimea, fue asediada por los mongoles. Los sitiadores se vieron aquejados por un terrible mal que les diezmó y que fue contagiado al interior de la ciudad: los mongoles lanzaron en 1346 cadáveres de apestados para minar su resistencia. Los marinos genoveses que partieron de Kaffa transmitieron la enfermedad.

Microorganismos, prevención de enfermedades

Edward Jenner (1796)

Louis Pasteur (1885)

Vacunas (sarampión, parotiditis y rubéola)

Microorganismos, tratamiento y curación de enfermedades Probióticos

Mycobacterium vaccae

Alexander Fleming (1928)

Antibióticos (penicilina)

 Suprime la inflamación  Estimula la inteligencia  Antidepresivo (disminuye la ansiedad)  Eficaz para combatir enfermedades (tuberculosis, lepra, asma, dermatitis atópica, soriasis y cáncer)

Microorganismos, belleza y estética Levaduras

Louise Augusta (1755-1842), reina Nefertiti (1370-1330 a.C.), de Prusia (Elisabeth Vigeé-Lebrun, esposa de Akenatón (Museo 1801) egipcio de Berlin)

Toxina botulínica (Botox®) Clostridium botulinum

Colagenasas G/H (Col GHPB220®)

Clostridium hystoliticum

Agricultura y Ganadería  Enfermedades infecciosas  Reciclaje de nutrientes y fertilización  Producción animal/vegetal

Microorganismos y enfermedades infecciosas Mildio lanoso de la vid (1878)

Peste porcina africana (1957)

Plasmopara viticola

Virus de la peste porcina africana

Reciclaje de nutrientes y fertilización

Desnitrificación

Bacillus sp. N2

Rhizobium sp.

Desnitrificación

Fijación de nitrógeno Nitrificación NO3-

NO2-

Amonificación NH4+

Nitrosomonas

Nitrobacter

Producción vegetal

Micorrizas Estructuras fúngicas especializadas que se establecen en las raíces (son como extensiones de la raíz) y que se asocian con éstas ayudando a la absorción de nutrientes y protegiéndolas contra los patógenos.

Producción animal

Microbiota del rumen Los microorganismos presentes en el rumen convierten los nutrientes ingeridos por el rumiante (hierba y cereales) no solo en la fuente de energía que la vaca precisa sino también en la importante cantidad de biomasa microbiana que se erige en la fuente principal de nutrientes para el animal.

Microorganismos como soporte de la vida en chimeneas hidrotermales submarinas Rymicaris hibysae (camarón pálido de Islas Caimán, capaz de vivir en zonas con 400 ºC de temperatura)

Bathymodiolus thermophilus

(mejillón gigante, hasta 20 cm.)

 En las inmediaciones de las chimeneas hidrotermales submarinas se descubren ecosistemas sorprendentes, con comunidades densas y florecientes de invertebrados (almejas y mejillones gigantes -20 a 25 cm-; gusanos tubulares de hasta 2,5 m; camarones, etc.) sustentadas por la actividad de microorganismos quimiolitoautótrofos.

Thiovulum spp., bacteria sulfooxidante

Rifita pachyptila (gusano pluma de mar, hasta 2,7 m.) El gusano pluma de mar es un gusano tubícola, carente de boca y ano, que sustituye su aparato digestivo por un tejido esponjoso (llamado trofosoma) cargado de gránulos de azufre y de bacterias sulfooxidantes. Éstas bacterias quimiolitotrofas suministran al gusano los compuestos orgánicos y la energía que precisa para vivir. Algo similar ocurre en almejas y mejillones, aunque en ellos las bacterias colonizan sus branquias.

Alimentación      

Descomposición de alimentos Infecciones e intoxicaciones alimentarias Alimentos fermentados Conservación de alimentos Fuente de carbono y energía Aditivos alimentarios

Descomposición de alimentos  Desde la perspectiva de su resistencia al ataque microbiano, los alimentos se separan en varias categorías, a saber:    

Muy perecederos Perecederos. Poco perecederos. Resistentes o imperecederos

Intoxicaciones e infecciones alimentarias

Brucelosis –Fiebre de Malta(queso de cabra no pasteurizado)

Salmonelosis

Intoxicación con toxinas fitoplanctónicas

Alimentos fermentados Bebidas alcohólicas

Derivados lácteos

Lactobacillus delbrueckii subespecie bulgaricus Vino

Saccharomyces cerevisiae

Zymomonas mobilis

Streptococcus salivarius subespecie thermophilus

Conservación de alimentos Pediococcus cerevisiae

Cerveza

Lactobacillus plantarum

Encurtidos (fermentación láctica)

Pulque

Microorganismos: fuentes de proteínas, vitaminas, etc.

Levaduras (SCP, Single Cell Proteins)

Levaduras comestibles

Levaduras pienso

Extracto de levadura, subproducto del proceso de elaboración de la cerveza. Aporta vitaminas B (B1, B2, B3, B9 y B12) y proteínas.

Microorganismos y aditivos alimentarios Aspartamo (E951) A

B

Éster metílico de ácido aspártico y fenilalanina (aminoácidos obtenidos industrialmente a partir de dos bacterias: Corynebacterium glutamicum –A- y Brevibacterium linens –B-). Edulcorante artificial (E 951).

Aspartamo E-951 Fenilcetonuria

Energía/Medio ambiente  Condiciones atmosféricas

 Biocombustibles y recuperación de ellos  Elaboración de compost  Bioinsecticidas y plástico biodegradable

 Extracción microbiana de minerales  Biorremediación  Biodeterioro  Contaminación ácida

Condiciones atmosféricas

Pseudomonas syringae

Desarrollo de nubes y precipitaciones Cepa ICE plus de Pseudomonas syringae: cepa silvestre productora de una proteína de superficie, llamada “ina” –acrónimo del inglés “Ice nucleation-active”-, que permite actuar a esta bacteria como centro de nucleación para los cristales de hielo: normalmente, el agua pura, como la del rocío, puede enfriarse hasta –4 ºC y permanecer líquida, pero en presencia de “ina” se forma hielo justamente en el punto de congelación del agua. Cepa ICE minus de P. syringae: su incapacidad para producir “ina”, hace descender hasta -7 a -9 ºC la temperatura de formación de cristales en las plantas donde prolifera).

Producción de nieve artificial

Condiciones atmosféricas Insolación

Desarrollo de nubes y precipitaciones Cepa ICE plus de Pseudomonas syringae: cepa silvestre productora de una proteína de superficie, llamada “ina” (acrónimo del inglés “Ice nucleation-active”), que permite actuar a esta bacteria como centro de nucleación para los cristales de hielo: normalmente, el agua pura, como la del rocío, puede enfriarse hasta –4 ºC y permanecer líquida, pero en presencia de “ina” se forma hielo justamente en el punto de congelación del agua. Cepa ICE minus de P. syringae: cepa mutante incapaz de producir “ina”. Su presencia hace descender hasta -7 a -9 ºC la temperatura de formación de cristales en las plantas donde prolifera.

Pseudomonas syringae

Producción de nieve artificial

Heladas y protección frente a las mismas

La lluvia ácida (pH 3,5-4 vs. 5,6)

Control bacteriano de sus efectos Eliminar el azufre de los combustibles fósiles

Acidithiobacillus sp.

Protección de las obras de arte en piedra caliza y mármol

Myxococcus xanthus

Síndrome del Edificio Enfermo (SBS)  En 1982, la OMS tipificó entre los males contemporáneos el Síndrome del Edificio Enfermo (Sick Building Syndrome –SBS-) y sugirió que alrededor del 30% de los edificios nuevos y remodelados en todo el mundo (especialmente en países muy fríos o muy calurosos), pueden generar muchas quejas por problemas de salud, relacionadas con la calidad de aire interior (contaminación química y/o biológica –bacterias, virus, hongos, etc. y de sus antígenos o toxinas). Vértigo y dolor de cabeza

Irritación de ojos y garganta

Nauseas y mareos Flojedad y fatiga

Dificultad al respirar

Falta de concentración Piel seca o irritada

 La conexión entre el uso de un edificio como lugar de trabajo o vivienda y la aparición de las molestias y síntomas, citadas en la imagen adjunta es un hecho incuestionable.

Los efectos adversos derivados de la “mala calidad del aire interior” pueden darse en muchas personas: se estima que los habitantes de las ciudades pasamos del 80 al 90% de nuestro tiempo en ambientes interiores, contaminados en mayor o menor grado, y que entre el 10 y el 30% exhibimos cierto grado de afección.

Utilidad de las plantas para paliar las consecuencias del SEE  Directa. Por producir O2 y por eliminar sustancias tóxicas del aire (CO2, formaldehído, benceno, tricloro-etileno, óxidos de nitrógeno, etc.).  Indirecta. Los microorganismos asociados a las plantas les ayudan a mejorar la calidad del aire: algunos son capaces de metabolizar las sustancias tóxicas que lo contaminan.

Yerbera Daisy (Gerbera jamesonii)

Palma Areca (Dypsis lutescens) Palmera de bambú

(Chamaedorea seifrizzi)

Planta de la serpiente (Sansevieria hahnii)

Lirio de paz (Spathiphylum spp.)

Planta araña (Chlorophytum comosum)

Biocombustibles vs. agrocombustibles Bioetanol Biometanol n-Butanol Hidrógeno Metano Biodiésel Zymomonas mobilis

Las algas son los organismos fotótrofos más indicados para la producción de biocombustibles. Su utilización para la fabricación de bioetanol y biodiesel podría presentar varias ventajas en comparación con el resto de materias primas utilizadas para elaborar agrocombustibles, a saber:  Son los eucariotas fotótrofos con el crecimiento más rápido (se descubren especies capaces de cuadruplicar su biomasa en un solo día).  Aunque, como cualquier planta, no necesitan mucho más que agua, luz solar y CO2 para crecer, el rendimiento de la producción de biocombustibles por las algas es mucho más alto que el de las plantas.  Es posible cultivarlas durante todo el año.  El cultivo de algas, al no requerir ni tierras arables ni agua limpia (las algas crecen hasta en aguas negras y agua del mar), no va a competir por dichos recursos con los cultivos alimenticios.

Cultivo de algas (sus féculas y aceites son una fuente de bioetanol y biodiésel)

Recuperación de combustibles fósiles

Xantano, producido por Xanthomonas campestris, usado en la extracción de petróleo.

Microorganismos al rescate de problemas medioambientales

Compostaje Residuos orgánicos frescos

Reducción de volumen y peso

100%

50%

100 Kg

60 Kg

0 meses

3 meses

Compost

30-35%

 Microorganismos aerobios y mesófilos (bacterias, levaduras y mohos).

30-40 Kg

 Microorganismos termófilos (bacterias del grupo actinomicetos y hongos basidiomicetos).

40% 50 Kg

6 meses

9 meses

Los insecticidas biológicos como alternativa a los plaguicidas

Taladro del maiz (oruga de Ostrinia nubilalis) e insecticida Bt® (esporas de la bacteria Bacillus thuringiensis).

Polilla del manzano y Granulopom® (Granulovirus de Cydia pomonella).

Picudo rojo de las palmeras (Rhynchoforus ferruginosus) y Boverol-Garden (hongo ascomiceto entomopatógeno Beauveria bassiana).

Plásticos contaminantes: los ecosistemas en peligro

En mayo de 2015, cada español gastábamos unas 100 bolsas de plástico anuales -frente a las 300 unidades de 2007-, una reducción drástica de casi el 60 % que aproxima al país a los objetivos de la directiva europea aprobada por la Eurocámara el 28 de abril de 2015, y que establece como objetivo principal un consumo de 90 unidades por habitante en 2019 y de 40 en 2026, lo que supone rebajar el actual consumo de las bolsas de plástico ligeras (bolsas de menos de 50 µm de espesor).

Plástico ecológico: Polímeros sintéticos vs. polímeros microbianos biodegradables Los plásticos son “materiales sintéticos” obtenidos a partir de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales, mediante fenómenos de polimerización de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares. Bacterias que acumulan PHA

Copolímero poli-β-hidroxivalerato (PHV) /poli-β-hidroxibutirato (PHB)

Bacillus megaterium uyuni S29 Ralstonia eutropha

Estructura monomérica de polímeros sintéticos comunes

En 2013, en uno de los llamados "ojos de agua" del salar de Uyuni (sur de Bolivia) se aisló una nueva cepa del Bacillus megaterium, bautizada como B. megaterium uyuni S29. Resultó ser especialmente prolífica en la formación de polímeros de poli-β-hidroxialcanoato –PHA(en condiciones extremas, tanto de temperatura, de presión o concentración de sal, ciertas bacterias –ver Tabla- sintetizan cantidades importantes de PHAs) de propiedades térmicas que los hacen más fácilmente procesables que los producidos por otras bacterias.

Biolixiviación: minería microbiana (biohidrometalurgia) Acidithiobacillus ferrooxidans, una bacteria quimiolitótrofa, que obtiene su energía de la oxidación de sulfuros metálicos (MS) y del hierro ferroso (Fe+2)

Lixiviación indirecta FeS2 + 3,5O2 + H2O

FeSO4 + H2SO4

2FeSO4 + 0,5H2 + H2SO4 CuFeS2 + 2Fe2(SO4)3 2S0 + 3O2 + 2H2O

Fe2(SO4)3 + H2O CuSO4 + 5FeSO4 + 2S0

2H2SO4

Lixiviación directa MS + 2O2

MSO4

2FeS2 + 3O2 + 2H2O

2H2SO4 + 2 S2- + 2Fe2+

Sulfolobus solfataricus, una

arquea hipertermófila metabólicamente similar a A. ferrooxidans, responsable de la biolixiviación a alta temperatura de las menas de hierro y de cobre

Drenaje ácido de minas de carbón

Biorremediación Biodegradación microbiana que permite a los ecosistemas contaminados retornar a su estado inicial. También se conoce como “biorreparación” o “saneamiento biológico”.

Balsa de Bolidén (Aznalcóllar, Sevilla)

Burkholderia cepacia

 En la madrugada del 25 de abril de 1988 la rotura de la presa liberó casi 6 millones de m3 de residuos tóxicos, afectando un área de unos 62 km2 del Parque Nacional de Doñana (Huelva).

Exxon Valdez El accidente se produjo el 24 de Marzo de 1989. Derrame de millón y medio de barriles de crudo (37.000 toneladas de hidrocarburo). Afectó a las costas de Alaska, causando una marea negra en más de 2.000 km de costa.

Biodeterioro Proceso de destrucción de un material por organismos vivos o por productos de su metabolismo. Corrosión de estructuras metálicas Degradación del hormigón Acidithiobacillus thiooxidans

Desulfovibrio desulfuricans

Obras de arte

Degradación de combustibles fósiles

Amorphoteca resinae (Hormoconis resinae)

Methanococcus maripaludis

Biotecnología  Organismos modificados genéticamente (OMGs)  Proteínas recombinantes  Genomas recombinantes

Microbiología Industrial y Biotecnología  Los procesos de utilización industrial de los microorganismos por los humanos, inicialmente basados en ensayos y errores, y más tarde desarrollados en tecnologías, se denominan colectivamente “Microbiología Industrial”.

 El desarrollo de la Ingeniería Genética a finales de los años 1970 marca la aparición de la Biotecnología, ciencia que integra conocimientos de otras disciplinas -Microbiología, Bioquímica, Genética, etc.con el objetivo de “optimar el empleo de seres vivos para obtener productos útiles”.  Según dónde se aplica, se habla de:

Medicina

Industria

Agricultura

Marina/Dulceacuícola

Ingeniería Genética y tecnología del ADN recombinante ADN bc vírico Extracción del ARN del virus

Paul Berg (1926)

ARN

Aislamiento del gen vírico de interés e introducción en el plásmido Transcriptasa inversa

Vector de clonación

Endonucleasa de restricción

+

Plásmido de levadura Aparición de inmunidad frente al virus

David Baltimore (1938)

ADN ligasa Integración del plásmido híbrido en el núcleo de una célula de levadura

Werner Arber (1929)

Vector de expresión La levadura fabrica la proteína víricas con poder inmunogénico

Howard M. Temin (1934-1994)

Inyección de las proteínas víricas en un chimpancé

Hamilton O. Smith (1931)

Tecnología del ADN recombinante y biotecnología  La tecnología del ADN recombinante ha abierto áreas totalmente nuevas de investi-ación y de Biología aplicada, y constituye una parte esencial de la Biotecnología, que en la actualidad se encuentra en fase de rápido crecimiento y desarrollo.  La promesa que ofrece la Biotecnología para la Biología básica, la Medicina y la Salud, la Agricultura y la Industria en general, es enorme.  Ha permitido utilizar microorganismos, plantas y animales transgénicos, como biorreactores para producir fármacos, antígenos vacunales, grasas buenas, u otros productos de utilidad.  Ha posibilitado la clonación de animales.

Dolly (1996-2003) y su creador Ian Wilmut (Roslin Institute, Edimburgo, Escocia)

 Ha permitido la secuenciación completa del genoma humano (Febrero, 2001) y, con ella, la posibilidad de conocer la base molecular de ciertos comportamientos humanos, de la longevidad, de enfermedades y malformaciones, etc.

Organismos remodelados genéticamente

Sitio de clonación múltiple (lugar de inserción del transgen de interés)

 Se denomina organismo modificado genéticamente (OMG) Promotor a “cualquier ser vivo cuyo material genético ha sido modi- del gen de ficado mediante técnicas de Ingeniería Genética”. Según la interés modificación genética experimentada se establecen 3 tipos de OMGs, a saber: los “transgénicos”, que expresan genes que pertenecen a otra u otras especies distantes y no compatibles sexualmente; los “cisgénicos”, que albergan en su genoma genes provenientes de especies relacionadas y sexualmente compatibles, y los “intragénicos”, sin portar genes extraños en su genoma, muestran modificado o suprimido el paOrigen de trón de expresión de alguno o varios de sus genes. replicación  Entre las aplicaciones de los OMGs figuran:

autónomo

 La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación.  Estudiar la función de genes específicos.  Manipular de forma específica la expresión génica in vivo para incrementar la síntesis de determinada proteína.  Su uso como centros de producción de proteínas humanas.  Resistencia a infecciones, herbicidas, metales pesados, etc.  Tratamiento del cáncer (viroterapia).  Alimentos saludables y/o más nutritivos.  Vacunas comestibles.  La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia génica.  Donación de órganos para xenotrasplantes.  Perpetuación de especies amenazadas con extinguirse.

Promotor del gen de selección

Vector de clonación Gen de selección

Biotecnología de transgénicos aplicada a solucionar problemas medioambientales  Plantas transgénicas de tabaco con genes provenientes de bacterias (como por ejemplo, el gen de la tetranitrato reductasa de Pseudomonas spp.) capaces de detoxificar trinitrotolueno (TNT) y nitroglicerina en suelos de campos minados.

Trinitrotolueno

Nitroglicerina

 La compañía biotecnológica Aresa a finales de 2008 inició en Serbia una serie de ensayos con plantas de Arabidopsis thaliana, modificadas genéticamente para, actuando como biosensor de NO2, detectar explosivos en el suelo (por ejemplo, minas antipersona): esta tecnología, denominada RedDetect, se basa en el cambio del color que experimenta la planta transgénica, pasa de ser verde a roja, cuando crece en el entorno de minas antipersona.

Obtención en horticultura de variedades coloreadas imposibles de lograr mediante cruzamiento o hibridación

Tomate azul (gen de la antocianina, del arándano azul). Inst. Biología Molecular y Celular de Plantas de Valencia, 2006

Rosa azul (gen de la delfidina de la petunia y gen silenciador de la cianidina, responsable del color rojo natural de Rosa gallica), Florigene, 2004

Fresa azul (resistente al frío, expresa el gen AFP de la platija del Atlántico –Liopsetta glacialis-,). Universidad de Cornell (Ithaca, Nueva York). Marzo de 2012

¿Transgénesis o ficción?

El 8 de Octubre del 2008 los estadounidenses Roger Y. Tsien y Martin Chalfie, junto al japonés Osamu Shimomura, recibieLa medusa Aequorea victoria, ron el Nobel de Química 2008 frecuente en las costas occiden- por descubrir y desarrollar la tales de Norteamérica, porta en GFP, un marcador hoy día indissu genoma el gen de la “proteína verde fluorescente” (GFP, si- pensable para la Biología y la glas del inglés “Green Fluores- Medicina modernas. cent Protein”): esta proteína

convierte en verdes los flashes de luz azul emitidos por la fotoproteína “aequaorina”, valiéndose de ellos, la medusa emite bioluminiscencia verde-azulada en la oscuridad.

Albert Einstein

Los microorganismos son imprescindibles para nuestra salud y la salud del Planeta