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13.1: Diversidad procariota

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    Los procariotas están presentes en todas partes. Cubren todas las superficies imaginables donde hay suficiente humedad, y viven sobre y dentro de otros seres vivos. Hay más procariotas dentro y en el exterior del cuerpo humano que hay células humanas en el cuerpo. Algunos procariotas prosperan en ambientes que son inhóspitos para la mayoría de los demás seres vivos. Los procariotas reciclan nutrientes, sustancias esenciales (como el carbono y el nitrógeno), y impulsan la evolución de nuevos ecosistemas, algunos de los cuales son naturales mientras que otros son artificiales. Los procariotas han estado en la Tierra desde mucho antes de que apareciera la vida multicelular.

    Diversidad procariota

    El advenimiento de la secuenciación del ADN proporcionó una visión inmensa de las relaciones y orígenes de los procariotas que no fueron posibles utilizando métodos tradicionales de clasificación. Una visión importante identificó dos grupos de procariotas que se encontraron tan diferentes entre sí como de eucariotas. Este reconocimiento de la diversidad procariota obligó a una nueva comprensión de la clasificación de toda la vida y nos acercó a comprender las relaciones fundamentales de todos los seres vivos, incluyéndonos a nosotros mismos.

    Vida temprana en la Tierra

    ¿Cuándo y dónde comenzó la vida? ¿Cuáles eran las condiciones en la Tierra cuando comenzó la vida? Los procariotas fueron las primeras formas de vida en la Tierra, y existieron durante miles de millones de años antes de que aparecieran las plantas y los animales. La Tierra tiene alrededor de 4.54 mil millones de años. Esta estimación se basa en evidencias de la datación del material de meteoritos, ya que las rocas superficiales en la Tierra no son tan antiguas como la propia Tierra. La mayoría de las rocas disponibles en la Tierra han sufrido cambios geológicos que las hacen más jóvenes que la propia Tierra. Algunos meteoritos están hechos del material original en el disco solar que formaba los objetos del sistema solar, y no han sido alterados por los procesos que alteraron las rocas en la Tierra. Así, la edad de los meteoritos es un buen indicador de la edad de la formación de la Tierra. La estimación original de 4.54 mil millones de años fue obtenida por Clare Patterson en 1956. Su meticuloso trabajo ha sido corroborado desde entonces por edades determinadas de otras fuentes, todas las cuales apuntan a una edad de la Tierra de alrededor de 4.54 mil millones de años.

    La Tierra primitiva tenía una atmósfera muy diferente a la que tiene hoy en día. La evidencia indica que durante los primeros 2 mil millones de años de existencia de la Tierra, la atmósfera era anóxica, lo que significa que no había oxígeno. Por lo tanto, solo aquellos organismos que pueden crecer sin oxígeno —anaerobicorganismos— pudieron vivir. Los organismos que convierten la energía solar en energía química se denominan fototrofos. Los organismos fototróficos que requerían una fuente orgánica de carbono aparecieron dentro de los mil millones de años de la formación de la Tierra. Entonces, las cianobacterias, también conocidas como algas verdeazuladas, evolucionaron a partir de estos simples fototrofos mil millones de años después. Las cianobacterias son capaces de utilizar el dióxido de carbono como fuente de carbono. Las cianobacterias (Figura\(\PageIndex{1}\)) iniciaron la oxigenación de la atmósfera. El incremento en la concentración de oxígeno permitió la evolución de otras formas de vida.

    En la foto se muestra a una mujer en cuclillas junto a una corriente de agua de color verde.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Esta fuente termal en el Parque Nacional Yellowstone fluye hacia el primer plano. Las cianobacterias en primavera son verdes, y a medida que el agua fluye por el gradiente de calor, la intensidad del color aumenta debido a que aumenta la densidad celular. El agua es más fría en los bordes de la corriente que en el centro, haciendo que los bordes parezcan más verdes. (crédito: Graciela Brelles-Mariño)

    Antes de que la atmósfera se oxigenara, el planeta estaba sometido a una fuerte radiación; así, los primeros organismos habrían florecido donde estaban más protegidos, como en las profundidades oceánicas o debajo de la superficie de la Tierra. En este momento, también, la fuerte actividad volcánica era común en la Tierra, por lo que es probable que estos primeros organismos, los primeros procariotas, se adaptaran a temperaturas muy altas. Estos no son los típicos ambientes templados en los que la mayor parte de la vida florece hoy en día; así, podemos concluir que los primeros organismos que aparecieron en la Tierra probablemente pudieron soportar duras condiciones.

    Las esteras microbianas pueden representar las primeras formas de vida en la Tierra, y hay evidencia fósil de su presencia, a partir de hace aproximadamente 3.5 mil millones de años. Una estera microbiana es una biopelícula grande, una lámina multicapa de procariotas (Figura\(\PageIndex{2}\) a), incluyendo principalmente bacterias, pero también arqueas. Las colchonetas microbianas tienen unos pocos centímetros de grosor y generalmente crecen en superficies húmedas. Sus diversos tipos de procariotas llevan a cabo diferentes vías metabólicas, y por ello, reflejan diversos colores. Los procariotas en una esterilla microbiana se mantienen unidos por una sustancia similar a una goma que secretan.

    Los primeros tapetes microbianos probablemente obtuvieron su energía de los respiraderos hidrotermales. Un respiradero hidrotermal es una fisura en la superficie de la Tierra que libera agua calentada geotérmicamente. Con la evolución de la fotosíntesis hace cerca de 3 mil millones de años, algunos procariotas en esteras microbianas llegaron a utilizar una fuente de energía más ampliamente disponible, la luz solar, mientras que otros aún dependían de los productos químicos de los respiraderos hidrotermales como alimento.

    La parte A muestra un montículo de color amarillo rojizo con pequeñas chimeneas que crecen de él. La parte b muestra rock, blanco jaspeado y gris.
    Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Esta esterilla microbiana crece sobre un respiradero hidrotermal en el Océano Pacífico. Chimeneas como la que indica la flecha permiten escapar gases. (b) Esta foto muestra estromatolitos que tienen casi mil 500 millones de años, encontrados en el Parque Nacional Glacier, Montana. (crédito a: modificación de obra del Dr. Bob Embley, NOAA PMEL; crédito b: modificación de obra por P. Carrara, NPS)

    Las esteras microbianas fosilizadas representan el primer registro de vida en la Tierra. Un estromatolito es una estructura sedimentaria que se forma cuando los minerales son precipitados del agua por procariotas en una estera microbiana (Figura\(\PageIndex{2}\) b). Los estromatolitos forman rocas estratificadas hechas de carbonato o silicato. Aunque la mayoría de los estromatolitos son artefactos del pasado, hay lugares en la Tierra donde todavía se están formando estromatolitos. Por ejemplo, se han encontrado estromatolitos vivos en el Parque Estatal del Desierto Anza-Borrego en el condado de San Diego, California.

    Algunos procariotas son capaces de prosperar y crecer en condiciones que matarían a una planta o animal. Las bacterias y arqueas que crecen en condiciones extremas se llaman extremófilos, es decir, “amantes de los extremos”. Los extremófilos se han encontrado en ambientes extremos de todo tipo, incluyendo las profundidades de los océanos, aguas termales, el Ártico y la Antártida, lugares muy secos, en las profundidades de la Tierra, ambientes químicos hostiles y ambientes de alta radiación. Los extremófilos nos dan una mejor comprensión de la diversidad procariota y abren la posibilidad del descubrimiento de nuevos fármacos terapéuticos o aplicaciones industriales. También han abierto la posibilidad de encontrar vida en otros lugares del sistema solar, que tienen ambientes más duros que los que se encuentran típicamente en la Tierra. Muchos de estos extremófilos no pueden sobrevivir en ambientes moderados.

    Biofilms

    Hasta hace un par de décadas, los microbiólogos pensaban de los procariotas como entidades aisladas que viven separadas. Este modelo, sin embargo, no refleja la verdadera ecología de los procariotas, la mayoría de los cuales prefieren vivir en comunidades donde puedan interactuar. Una biopelícula es una comunidad microbiana que se mantiene unida en una matriz con textura de goma, que consiste principalmente en polisacáridos secretados por los organismos, junto con algunas proteínas y ácidos nucleicos. Las biopelículas crecen unidas a las superficies. Algunas de las biopelículas mejor estudiadas están compuestas por procariotas, aunque también se han descrito biopelículas fúngicas.

    Las biopelículas están presentes en casi todas partes. Causan la obstrucción de las tuberías y colonizan fácilmente las superficies en entornos industriales. Han jugado un papel en brotes recientes a gran escala de contaminación bacteriana de alimentos. Las biopelículas también colonizan las superficies domésticas, como encimeras de cocina, tablas de cortar, fregaderos e inodoros.

    Las interacciones entre los organismos que pueblan una biopelícula, junto con su ambiente protector, hacen que estas comunidades sean más robustas que las procariotas de vida libre o planctónicas. En general, las biopelículas son muy difíciles de destruir, ya que son resistentes a muchas de las formas comunes de esterilización.

    Características de los procariotas

    Existen muchas diferencias entre las células procariotas y eucariotas. Sin embargo, todas las células tienen cuatro estructuras comunes: una membrana plasmática que funciona como barrera para la célula y la separa de su entorno; el citoplasma, una sustancia gelatinosa dentro de la célula; el material genético (ADN y ARN); y los ribosomas, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Los procariotas vienen en varias formas, pero muchos se dividen en tres categorías: cocos (esféricos), bacilos (en forma de varilla) y espírilla (en forma de espiral) (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    La micrografía electrónica de barrido a muestra cocos en forma de bola. La micrografía electrónica de barrido b muestra bacilos en forma de varilla. La micrografía electrónica de barrido c muestra la espírilla en forma de sacacorchos.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Muchos procariotas se clasifican en tres categorías básicas en función de su forma: (a) cocos, o esféricos; (b) bacilos, o en forma de varilla; y (c) espírilla, o en forma de espiral. (crédito a: modificación de obra de Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, CDC; crédito c: modificación del trabajo por parte del Dr. David Cox, CDC; datos de barra de escala de Matt Russell)

    La célula procariota

    Recordemos que los procariotas (Figura\(\PageIndex{4}\)) son organismos unicelulares que carecen de orgánulos rodeados de membranas. Por lo tanto, no tienen un núcleo sino que tienen un solo cromosoma, un trozo de ADN circular ubicado en una zona de la célula llamada nucleoide. La mayoría de los procariotas tienen una pared celular situada fuera de la membrana plasmática. La composición de la pared celular difiere significativamente entre los dominios Bacterias y Archaea (y sus paredes celulares también difieren de las paredes celulares eucariotas que se encuentran en plantas y hongos). La pared celular funciona como una capa protectora y es responsable de la forma del organismo. Algunas otras estructuras están presentes en algunas especies procariotas, pero no en otras. Por ejemplo, la cápsula que se encuentra en algunas especies permite que el organismo se adhiera a las superficies y lo protege de la deshidratación. Algunas especies también pueden tener flagelos (singular, flagelo) utilizados para la locomoción, y pilos (singular, pilus) utilizados para la unión a superficies y a otras bacterias para la conjugación. Los plásmidos, que consisten en pequeños trozos circulares de ADN fuera del cromosoma principal, también están presentes en muchas especies de bacterias.

    En esta ilustración, la célula procariota tiene forma ovalada. El cromosoma circular se concentra en una región llamada nucleoide. El líquido dentro de la célula se llama citoplasma. Los ribosomas, representados como pequeños puntos, flotan en el citoplasma. El citoplasma está encerrado por una membrana plasmática, que a su vez está encerrado por una pared celular. Una cápsula rodea la pared celular. La bacteria representada tiene un flagelo que sobresale de un extremo estrecho. Los pili son pequeñas protuberancias que se proyectan desde la cápsula en todas las direcciones.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Se muestran las características de una célula bacteriana típica.

    Tanto Bacterias como Archaea son tipos de células procariotas. Se diferencian en la composición lipídica de sus membranas celulares y en las características de sus paredes celulares. Ambos tipos de procariotas tienen las mismas estructuras básicas, pero estas se construyen a partir de diferentes componentes químicos que son evidencia de una antigua separación de sus linajes. La membrana plasmática arqueal es químicamente diferente de la membrana bacteriana; algunas membranas arqueales son monocapas lipídicas en lugar de bicapas fosfolipídicas.

    La pared celular

    La pared celular es una capa protectora que rodea algunas células procariotas y les da forma y rigidez. Se encuentra fuera de la membrana celular y evita la lisis osmótica (estallido causado por el aumento de volumen). Las composiciones químicas de las paredes celulares varían entre Archaea y Bacterias, así como entre especies bacterianas. Las paredes celulares bacterianas contienen peptidoglicano, compuesto por cadenas de polisacáridos reticuladas con péptidos. Las bacterias se dividen en dos grupos principales: Gram-positivas y Gram-negativas, con base en su reacción a un procedimiento llamado tinción de Gram. Las diferentes respuestas bacterianas al procedimiento de tinción son causadas por la estructura de la pared celular. Los organismos grampositivos tienen una pared gruesa que consiste en muchas capas de peptidoglicano. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular más delgada compuesta por unas pocas capas de peptidoglicano y estructuras adicionales, rodeadas por una membrana externa (Figura\(\PageIndex{5}\)).

    CONEXIÓN ARTE

    Esta ilustración compara las paredes celulares bacterianas Gram-positivas con Gram-negativas. La imagen Gram-positiva de la izquierda muestra, de abajo hacia arriba: el citoplasma, una bicapa de membrana plasmática con fosfolípidos y proteínas de membrana, y una pared celular gruesa con varias capas de peptidoglicanos. La imagen Gram-negativa de la derecha muestra, de abajo hacia arriba: el citoplasma, una bicapa de membrana plasmática con fosfolípidos y proteínas de membrana, una pared celular delgada con una capa de peptidoglicanos y una bicapa de membrana plasmática externa.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Las bacterias se dividen en dos grupos principales: Gram-positivas y Gram-negativas. Ambos grupos tienen una pared celular compuesta por peptidoglicanos: En las bacterias Gram-positivas, la pared es gruesa, mientras que en las bacterias Gram-negativas, la pared es delgada. En bacterias Gram-negativas, la pared celular está rodeada por una membrana externa.

    ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

    1. Las bacterias grampositivas tienen una sola pared celular formada a partir de peptidoglicano.
    2. Las bacterias grampositivas tienen una membrana externa.
    3. La pared celular de las bacterias Gram-negativas es gruesa y la pared celular de las bacterias Gram-positivas es delgada.
    4. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular hecha de peptidoglicano, mientras que las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular hecha de fosfolípidos.

    Las paredes celulares arqueales no contienen peptidoglicano. Hay cuatro tipos diferentes de paredes celulares arqueales. Un tipo está compuesto por pseudopeptidoglicano. Los otros tres tipos de paredes celulares contienen polisacáridos, glicoproteínas y proteínas de capa superficial conocidas como capas S.

    Reproducción

    La reproducción en procariotas es principalmente asexual y tiene lugar por fisión binaria. Recordemos que el ADN de un procariota existe generalmente como un solo cromosoma circular. Los procariotas no se someten a mitosis. Más bien, el bucle cromosómico se replica, y las dos copias resultantes unidas a la membrana plasmática se separan a medida que la célula crece en un proceso llamado fisión binaria. El procariota, ahora agrandado, es pellizcado hacia adentro en su ecuador, y las dos células resultantes, que son clones, se separan. La fisión binaria no brinda una oportunidad para la recombinación genética, pero los procariotas pueden alterar su composición genética de tres maneras.

    En un proceso llamado transformación, la célula toma ADN que se encuentra en su entorno que es derramado por otros procariotas, vivos o muertos. Un patógeno es un organismo que causa una enfermedad. Si una bacteria no patógena toma ADN de un patógeno e incorpora el nuevo ADN en su propio cromosoma, también puede volverse patógena. En la transducción, los bacteriófagos, los virus que infectan a las bacterias, mueven el ADN de una bacteria a otra. Las arqueas tienen un conjunto diferente de virus que las infectan y translocan material genético de un individuo a otro. Durante la conjugación, el ADN se transfiere de un procariota a otro por medio de un pilus que pone los organismos en contacto entre sí. El ADN transferido suele ser un plásmido, pero partes del cromosoma también se pueden mover.

    Los ciclos de fisión binaria pueden ser muy rápidos, del orden de los minutos para algunas especies. Este corto tiempo de generación aunado a mecanismos de recombinación genética dan como resultado la rápida evolución de los procariotas, lo que les permite responder a los cambios ambientales (como la introducción de un antibiótico) muy rápidamente.

    Cómo obtienen energía y carbono los procariotas

    Los procariotas son organismos metabólicamente diversos. Los procariotas llenan muchos nichos en la Tierra, incluyendo estar involucrados en ciclos de nutrientes como los ciclos de nitrógeno y carbono, descomponer organismos muertos y crecer y multiplicarse dentro de organismos vivos, incluidos los humanos. Diferentes procariotas pueden usar diferentes fuentes de energía para ensamblar macromoléculas a partir de moléculas más pequeñas. Los fototrofos obtienen su energía de la luz solar. Los quimiótrofos obtienen su energía a partir de compuestos químicos.

    Enfermedades Bacterianas en Humanos

    Las devastadoras enfermedades y plagas transmitidas por patógenos, tanto virales como bacterianas, han afectado y siguen afectando a los humanos. Vale la pena señalar que todos los procariotas patógenos son Bacterias; no existen Archaea patógenas conocidas en humanos ni en ningún otro organismo. Los organismos patógenos evolucionaron junto a los humanos. En el pasado no se entendía la verdadera causa de estas enfermedades, y algunas culturas pensaban que las enfermedades eran un castigo espiritual o se equivocaban sobre causas materiales. Con el tiempo, la gente llegó a darse cuenta de que mantenerse alejada de las personas afligidas, mejorar el saneamiento y deshacerse adecuadamente de los cadáveres y pertenencias personales de las víctimas de enfermedades redujo sus propias posibilidades de enfermarse.

    Perspectiva Histórica

    Existen registros de enfermedades infecciosas ya en 3,000 a.C. Se han documentado varias pandemias significativas causadas por bacterias a lo largo de varios cientos de años. Algunas de las mayores pandemias provocaron el declive de ciudades y culturas. Muchas fueron zoonosis que aparecieron con la domesticación de animales, como en el caso de la tuberculosis. Una zoonosis es una enfermedad que infecta a los animales pero que puede transmitirse de animales a humanos.

    Las enfermedades infecciosas se mantienen entre las principales causas de muerte a nivel mundial. Su impacto es menos significativo en muchos países desarrollados, pero son importantes determinantes de la mortalidad en los países en desarrollo. El desarrollo de antibióticos hizo mucho para disminuir las tasas de mortalidad por infecciones bacterianas, pero el acceso a los antibióticos no es universal, y el uso excesivo de antibióticos ha llevado al desarrollo de cepas resistentes de bacterias. Los esfuerzos de saneamiento público que eliminan las aguas residuales y proveen agua potable potable han hecho tanto o más que los avances médicos para prevenir muertes causadas por infecciones bacterianas.

    En 430 a.C., la plaga de Atenas mató a una cuarta parte de las tropas atenienses que luchaban en la Gran Guerra del Peloponeso. La enfermedad mató a una cuarta parte de la población de Atenas en más de 4 años y debilitó el dominio y el poder de Atenas. La fuente de la peste pudo haber sido identificada recientemente cuando investigadores de la Universidad de Atenas pudieron analizar el ADN de los dientes recuperados de una fosa común. Los científicos identificaron secuencias de nucleótidos de una bacteria patógena que causa la fiebre tifoidea. 1

    Del 541 al 750 d.C., un brote llamado peste de Justiniano (probablemente una peste bubónica) eliminó, según algunas estimaciones, de una cuarta parte a la mitad de la población humana. La población en Europa disminuyó un 50 por ciento durante este brote. La peste bubónica diezmaría Europa más de una vez.

    Una de las pandemias más devastadoras fue la Peste Negra (1346 a 1361), que se cree que fue otro brote de peste bubónica causada por la bacteria Yersinia pestis. Esta bacteria es transportada por pulgas que viven en ratas negras. La Peste Negra redujo la población mundial de aproximadamente 450 millones a aproximadamente 350 a 375 millones. La peste bubónica volvió a golpear duramente a Londres a mediados del 1600. Todavía hay aproximadamente 1,000 a 3,000 casos de peste a nivel mundial cada año. Aunque contraer la peste bubónica antes de los antibióticos significó una muerte casi segura, la bacteria responde a varios tipos de antibióticos modernos, y las tasas de mortalidad por peste son ahora muy bajas.

    CONCEPT EN ACCIÓN

    Vea un video sobre la comprensión moderna de la Peste Negra (peste bubónica) en Europa durante el siglo XIV.

    A lo largo de los siglos, los europeos desarrollaron resistencia a muchas enfermedades infecciosas. Sin embargo, los conquistadores europeos trajeron consigo bacterias y virus causantes de enfermedades cuando llegaron al hemisferio occidental, desencadenando epidemias que devastaron por completo a poblaciones de nativos americanos (que no tenían resistencia natural a muchas enfermedades europeas).

    La Crisis Antibiótica

    La palabra antibiótico proviene del griego anti, que significa “contra”, y bios, que significa “vida”. Un antibiótico es una sustancia química producida por organismos que es hostil al crecimiento de otros organismos. Las noticias y los medios de comunicación actuales suelen abordar las preocupaciones sobre una crisis de antibióticos. ¿Se están volviendo obsoletos los antibióticos que se utilizaron para tratar infecciones bacterianas fácilmente tratables en el pasado? ¿Hay nuevas “superbacterias”, bacterias que han evolucionado para volverse más resistentes a nuestro arsenal de antibióticos? ¿Es este el principio del fin de los antibióticos? Todas estas preguntas desafían a la comunidad asistencial.

    Una de las principales razones de las bacterias resistentes es el uso excesivo y el uso incorrecto de antibióticos, como no completar un ciclo completo de antibióticos recetados. El uso incorrecto de un antibiótico da como resultado la selección natural de formas resistentes de bacterias. El antibiótico mata a la mayoría de las bacterias infectantes, y por lo tanto solo quedan las formas resistentes. Estas formas resistentes se reproducen, resultando en un incremento en la proporción de formas resistentes sobre las no resistentes.

    Otro problema es el uso excesivo de antibióticos en el ganado. El uso rutinario de antibióticos en la alimentación animal también promueve la resistencia bacteriana. En Estados Unidos, el 70 por ciento de los antibióticos producidos son alimentados a animales. Los antibióticos no se utilizan para prevenir enfermedades, sino para potenciar la producción de sus productos.

    Staphylococcus aureus, a menudo llamado “estafilococo”, es una bacteria común que puede vivir dentro y sobre el cuerpo humano, que generalmente es fácilmente tratable con antibióticos. Una cepa muy peligrosa, sin embargo, ha sido noticia en los últimos años (Figura\(\PageIndex{6}\)). Esta cepa, Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA), es resistente a muchos antibióticos de uso común, incluyendo meticilina, amoxicilina, penicilina y oxacilina. Si bien las infecciones por SARM han sido comunes entre las personas en los centros de salud, está apareciendo con mayor frecuencia en personas sanas que viven o trabajan en grupos densos (como militares y presos). El Journal of the American Medical Association informó que, entre las personas afligidas por SARM en centros de salud, la edad promedio es de 68 años, mientras que las personas con “MRSA asociada a la comunidad” (CA-MRSA) tienen una edad promedio de 23 años. 2

    La micrografía electrónica de barrido muestra racimos de bacterias redondas, aferradas a una superficie.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Esta micrografía electrónica de barrido muestra la bacteria Staphylococcus aureus resistente a meticilina, comúnmente conocida como MRSA. (crédito: modificación de obra de Janice Haney Carr, CDC; datos de barra de escala de Matt Russell)

    En resumen, la sociedad se enfrenta a una crisis antibiótica. Algunos científicos creen que después de años de estar protegidos de infecciones bacterianas por antibióticos, podemos estar volviendo a una época en la que una simple infección bacteriana podría volver a devastar a la población humana. Los investigadores están trabajando en desarrollar nuevos antibióticos, pero pocos están en proceso de desarrollo de medicamentos, y se necesitan muchos años para generar un medicamento efectivo y aprobado.

    Enfermedades Transmitidas por Alimentos

    Los procariotas están en todas partes: Colonizan fácilmente la superficie de cualquier tipo de material, y la comida no es una excepción. Los brotes de infección bacteriana relacionados con el consumo de alimentos son comunes. Una enfermedad transmitida por los alimentos (coloquialmente llamada “intoxicación alimentaria”) es una enfermedad resultante del consumo de alimentos contaminados con bacterias patógenas, virus u otros parásitos. Si bien Estados Unidos tiene uno de los suministros de alimentos más seguros del mundo, el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) ha informado que “76 millones de personas se enferman, más de 300,000 están hospitalizadas y 5,000 estadounidenses mueren cada año por enfermedades transmitidas por los alimentos”. 3

    Las características de las enfermedades transmitidas por los alimentos han cambiado con el tiempo. En el pasado, era relativamente común escuchar sobre casos esporádicos de botulismo, la enfermedad potencialmente mortal producida por una toxina de la bacteria anaerobia Clostridium botulinum. Una lata, un frasco o un paquete crearon un ambiente anaeróbico adecuado donde Clostridium podría crecer. Los procedimientos adecuados de esterilización y enlatado han reducido la incidencia de esta enfermedad.

    La mayoría de los casos de enfermedades transmitidas por los alimentos están ahora vinculados a productos contaminados por desechos animales. Por ejemplo, ha habido brotes graves, relacionados con el producto, asociados con espinacas crudas en Estados Unidos y con brotes de vegetales en Alemania (Figura\(\PageIndex{7}\)). El brote de espinacas crudas en 2006 fue producido por la bacteria E. coli cepa O157:H7. La mayoría de las cepas de E. coli no son particularmente peligrosas para los humanos, (de hecho, viven en nuestro intestino grueso), pero O157:H7 es potencialmente mortal.

    La parte a muestra semillas redondas y verdes con tallos que brotan de ellas en la palma de la mano de una persona. La parte b muestra una micrografía electrónica de barrido de bacterias en forma de varilla.
    Figura\(\PageIndex{7}\): a) Los brotes de vegetales cultivados localmente fueron la causa de un brote europeo de E. coli que mató a 31 personas y enfermó a unas 3,000 en 2010. b) Escherichia coli se muestran aquí en una micrografía electrónica de barrido. La cepa de E. coli que causó un brote mortal en Alemania es una cepa nueva que no está involucrada en ningún brote previo de E. coli. Ha adquirido varios genes de resistencia a antibióticos y secuencias genéticas específicas involucradas en la capacidad de agregación y virulencia. Recientemente ha sido secuenciado. (crédito b: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH; datos de barra de escala de Matt Russell)

    Todo tipo de alimentos pueden estar potencialmente contaminados con bacterias dañinas de diferentes especies. Los brotes recientes de Salmonella reportados por los CDC ocurrieron en alimentos tan diversos como la mantequilla de maní, los brotes de alfalfa y los huevos.

    CARRAS EN ACCIÓN: Epidemiólogo

    La epidemiología es el estudio de la ocurrencia, distribución y determinantes de salud y enfermedad en una población. Está, por lo tanto, relacionado con la salud pública. Un epidemiólogo estudia la frecuencia y distribución de enfermedades dentro de las poblaciones y ambientes humanos.

    Los epidemiólogos recopilan datos sobre una enfermedad en particular y rastrean su propagación para identificar el modo original de transmisión. A veces trabajan en estrecha colaboración con historiadores para tratar de comprender la forma en que una enfermedad evolucionó geográficamente y a lo largo del tiempo, rastreando la historia natural de los patógenos. Recopilan información de historias clínicas, entrevistas a pacientes y cualquier otro medio disponible. Esa información se utiliza para desarrollar estrategias y diseñar políticas de salud pública para reducir la incidencia de una enfermedad o para prevenir su propagación. Los epidemiólogos también realizan investigaciones rápidas en caso de un brote para recomendar medidas inmediatas para controlarlo.

    Los epidemiólogos suelen tener una educación de posgrado. Un epidemiólogo suele tener una licenciatura en algún campo y una maestría en salud pública (MPH). Muchos epidemiólogos también son médicos (y tienen un MD) o tienen un doctorado en un campo asociado, como biología o epidemiología.

    Procariotas benéficos

    No todos los procariotas son patógenos. Por el contrario, los patógenos representan sólo un porcentaje muy pequeño de la diversidad del mundo microbiano. De hecho, nuestra vida y toda la vida en este planeta no sería posible sin procariotas.

    Procariotas y Alimentos y Bebidas

    De acuerdo con el Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica, la biotecnología es “cualquier aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos, organismos vivos, o derivados de los mismos, para elaborar o modificar productos o procesos de uso específico”. 4 El concepto de “uso específico” implica algún tipo de aplicación comercial. La ingeniería genética, la selección artificial, la producción de antibióticos y el cultivo celular son temas actuales de estudio en biotecnología. Sin embargo, los humanos han utilizado procariotas para crear productos antes de que se acuñara el término biotecnología. Y algunos de los bienes y servicios son tan sencillos como el queso, yogur, crema agria, vinagre, embutido curado, chucrut, y mariscos fermentados que contienen tanto bacterias como arqueas (Figura\(\PageIndex{8}\)).

    El collage de fotos muestra queso (a), salami (b) en un sándwich, yogur (c) en un colador y una botella de salsa de pescado (d).
    Figura\(\PageIndex{8}\): Algunos de los productos derivados del uso de procariotas en la biotecnología temprana incluyen (a) queso, (b) salami, (c) yogur y (d) salsa de pescado. (crédito b: modificación de obra por Alisdair McDiarmid; crédito c: modificación de obra por Kris Miller; crédito d: modificación de obra de Jane Whitney)

    La producción de queso comenzó hace alrededor de 4 mil años cuando los humanos comenzaron a criar animales y procesar su leche. La evidencia sugiere que los productos lácteos cultivados, como el yogur, han existido por lo menos durante 4 mil años.

    Uso de procariotas para limpiar nuestro planeta: biorremediación

    La biorremediación microbiana es el uso de procariotas (o metabolismo microbiano) para eliminar contaminantes. La biorremediación se ha utilizado para eliminar los químicos agrícolas (pesticidas y fertilizantes) que se lixivian del suelo a las aguas subterráneas. Ciertos metales tóxicos, como el selenio y los compuestos de arsénico, también se pueden eliminar del agua mediante biorremediación. La reducción de\(\ce{SeO^{2−}4}\) hasta\(\ce{SeO^{2−}3}\) y a Se 0 (selenio metálico) es un método utilizado para eliminar iones de selenio del agua. El mercurio es un ejemplo de un metal tóxico que puede eliminarse de un ambiente mediante biorremediación. El mercurio es un ingrediente activo de algunos pesticidas; se usa en la industria y también es un subproducto de ciertas industrias, como la producción de baterías. El mercurio suele estar presente en concentraciones muy bajas en ambientes naturales pero es altamente tóxico porque se acumula en los tejidos vivos. Varias especies de bacterias pueden llevar a cabo la biotransformación del mercurio tóxico en formas no tóxicas. Estas bacterias, como Pseudomonas aeruginosa, pueden convertir Hg 2+ a Hg 0, lo que no es tóxico para los humanos.

    Probablemente uno de los ejemplos más útiles e interesantes del uso de procariotas con fines de biorremediación es la limpieza de derrames de petróleo. La importancia de los procariotas para la biorremediación del petróleo se ha demostrado en varios derrames de petróleo en los últimos años, como el derrame de Exxon Valdez en Alaska (1989\(\PageIndex{9}\)) (Figura), el derrame de Prestige en España (2002), el derrame al Mediterráneo desde una central eléctrica del Líbano (2006,) y más recientemente , el derrame de petróleo BP en el Golfo de México (2010). Para limpiar estos derrames, se promueve la biorremediación mediante la adición de nutrientes inorgánicos que ayudan a que las bacterias ya presentes en el ambiente crezcan. Las bacterias degradantes de hidrocarburos se alimentan de los hidrocarburos en la gotita de aceite, dividiéndolos en compuestos inorgánicos. Algunas especies, como Alcanivorax borkumensis, producen surfactantes que solubilizan el aceite, mientras que otras bacterias degradan el aceite en dióxido de carbono. En el caso de derrames de petróleo en el océano, tiende a ocurrir biorremediación natural en curso, en la medida en que hay bacterias que consumen petróleo en el océano antes del derrame. En condiciones ideales, se ha reportado que hasta el 80 por ciento de los componentes no volátiles en el petróleo pueden degradarse dentro de 1 año del derrame. Otras fracciones de petróleo que contienen cadenas de hidrocarburos aromáticos y altamente ramificadas son más difíciles de eliminar y permanecen en el ambiente por períodos de tiempo más largos. Los investigadores han diseñado genéticamente otras bacterias para consumir productos derivados del petróleo; de hecho, la primera solicitud de patente para una aplicación de biorremediación en Estados Unidos fue para una bacteria alimentadora de aceite modificada genéticamente.

    La parte A muestra a dos hombres en raingear amarillo que rocían rocas bañadas en petróleo en una orilla del mar. La parte b muestra un pájaro empapado en aceite sentado en agua aceitosa.
    Figura\(\PageIndex{9}\): a) Limpiando petróleo tras el derrame de Valdez en Alaska, los trabajadores sacaron petróleo de las playas y luego utilizaron una pluma flotante para acorralar el petróleo, que finalmente fue desnatado de la superficie del agua. Algunas especies de bacterias son capaces de solubilizar y degradar el aceite. b) Una de las consecuencias más catastróficas de los derrames de petróleo es el daño a la fauna. (crédito a: modificación de obra por NOAA; crédito b: modificación de obra por GOLUBENKOV, ONG: Saving Taman)

    Procariotas en y sobre el cuerpo

    Los humanos no son la excepción a la hora de formar relaciones simbióticas con procariotas. Estamos acostumbrados a pensar en nosotros mismos como organismos únicos, pero en realidad, estamos caminando ecosistemas. Hay de 10 a 100 veces más células bacterianas y arqueales que habitan nuestros cuerpos que las que tenemos en nuestro cuerpo. Algunos de ellos están en relaciones mutuamente beneficiosas con nosotros, en las que tanto el huésped humano como la bacteria se benefician, mientras que algunas de las relaciones se clasifican como comensalismo, un tipo de relación en la que la bacteria se beneficia y el huésped humano no se beneficia ni perjudica.

    La flora intestinal humana vive en el intestino grueso y consiste en cientos de especies de bacterias y arqueas, con diferentes individuos que contienen diferentes mezclas de especies. El término “flora”, que generalmente se asocia con las plantas, se usa tradicionalmente en este contexto porque las bacterias alguna vez se clasificaron como plantas. Las funciones primarias de estos procariotas para los humanos parecen ser el metabolismo de las moléculas de alimentos que no podemos descomponer, la asistencia con la absorción de iones por el colon, la síntesis de la vitamina K, el entrenamiento del sistema inmunológico infantil, el mantenimiento del sistema inmunológico del adulto, el mantenimiento del epitelio del intestino grueso, y formación de una barrera protectora contra patógenos.

    La superficie de la piel también está recubierta con procariotas. Las diferentes superficies de la piel, como las axilas, la cabeza y las manos, proporcionan diferentes hábitats para diferentes comunidades de procariotas. A diferencia de la flora intestinal, los posibles papeles beneficiosos de la flora de la piel no han sido bien estudiados. Sin embargo, los pocos estudios realizados hasta ahora han identificado bacterias que producen compuestos antimicrobianos como probablemente responsables de prevenir infecciones por bacterias patógenas.

    Los investigadores están estudiando activamente las relaciones entre diversas enfermedades y alteraciones en la composición de la flora microbiana humana. Parte de este trabajo está siendo realizado por el Proyecto Microbioma Humano, financiado en Estados Unidos por los Institutos Nacionales de Salud.

    Resumen de la Sección

    Los procariotas existían durante miles de millones de años antes de que aparecieran plantas y animales Se cree que las esteras microbianas representan las primeras formas de vida en la Tierra, y hay evidencia fósil, llamada estromatolitos, de su presencia hace unos 3.5 mil millones de años. Durante los primeros 2 mil millones de años, la atmósfera era anóxica y solo los organismos anaerobios pudieron vivir. Las cianobacterias iniciaron la oxigenación de la atmósfera. El incremento en la concentración de oxígeno permitió la evolución de otras formas de vida.

    Los procariotas (dominios Archaea y Bacteria) son organismos unicelulares que carecen de núcleo. Tienen una sola pieza de ADN circular en el área nucleoide de la célula. La mayoría de los procariotas tienen pared celular fuera de la membrana plasmática. Las bacterias y Archaea difieren en las composiciones de sus membranas celulares y las características de sus paredes celulares.

    Las paredes celulares bacterianas contienen peptidoglicano. Las paredes celulares arqueas no tienen peptidoglicano. Las bacterias se pueden dividir en dos grupos principales: Gram-positivas y Gram-negativas. Los organismos grampositivos tienen una pared celular gruesa. Los organismos gramnegativos tienen una pared celular delgada y una membrana externa. Los procariotas utilizan diversas fuentes de energía para ensamblar macromoléculas a partir de moléculas más pequeñas. Los fototrofos obtienen su energía de la luz solar, mientras que los quimiótrofos la obtienen de compuestos químicos.

    Las enfermedades infecciosas causadas por bacterias se mantienen entre las principales causas de muerte a nivel mundial. El uso excesivo de antibióticos para controlar infecciones bacterianas ha resultado en la selección de formas resistentes de bacterias. Las enfermedades transmitidas por los alimentos son el resultado del consumo de alimentos contaminados, bacterias patógenas, virus o parásitos que contaminan los alimentos. Los procariotas se utilizan en productos alimenticios humanos. La biorremediación microbiana es el uso del metabolismo microbiano para eliminar contaminantes. El cuerpo humano contiene una enorme comunidad de procariotas, muchos de los cuales brindan servicios beneficiosos como el desarrollo y mantenimiento del sistema inmunológico, la nutrición y la protección contra patógenos.

    Conexiones de arte

    Figura\(\PageIndex{5}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

    1. Las bacterias grampositivas tienen una sola pared celular formada a partir de peptidoglicano.
    2. Las bacterias grampositivas tienen una membrana externa.
    3. La pared celular de las bacterias Gram-negativas es gruesa y la pared celular de las bacterias Gram-positivas es delgada.
    4. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular hecha de peptidoglicano, mientras que las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular hecha de fosfolípidos.
    Contestar

    A

    Notas al pie

    1. 1 Papagrigorakis M. J., Synodinos P. N., Yapijakis C, “Antigua epidemia de tifoidea revela posible cepa ancestral de Salmonella enterica serovar Typhi, Infectar Genet Evol 7 (2007): 126-7.
    2. 2 Naimi, T. S., LeDell, K. H., Como-Sabetti, K., et al., “Comparación de infección por Staphylococcus aureus resistente a meticilina asociada a la atención comunitaria y a la salud”, JAMA 290 (2003): 2976-2984, doi: 10.1001/jama.290.22.2976.
    3. 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september, Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, “Brote multiestatal de infecciones por E. coli O157:H7 de espinacas”, septiembre-octubre (2006).
    4. 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/? a=cbd-02, Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica, “Artículo 2: Uso de Términos”.

    Glosario

    anaeróbico
    se refiere a organismos que crecen sin oxígeno
    anóxica
    sin oxígeno
    biopelícula
    una comunidad microbiana que se mantiene unida por una matriz con textura de goma
    biorremediación
    el uso del metabolismo microbiano para eliminar contaminantes
    Muerte Negra
    una pandemia devastadora que se cree que fue un brote de peste bubónica causada por la bacteria Yersinia pestis
    botulismo
    una enfermedad producida por la toxina de la bacteria anaerobia Clostridium botulinum
    cápsula
    una estructura externa que permite que un procariota se adhiera a las superficies y lo proteja de la deshidratación
    comensalismo
    una relación simbiótica en la que un miembro se beneficia mientras que el otro miembro no se ve afectado
    conjugación
    el proceso por el cual los procariotas mueven el ADN de un individuo a otro usando un pilus
    cianobacterias
    bacterias que evolucionaron a partir de los primeros fototrofos y oxigenaron la atmósfera; también conocidas como algas verdeazuladas
    epidemia
    una enfermedad que se presenta en un número inusualmente alto de individuos en una población al mismo tiempo
    extremófilo
    un organismo que crece en condiciones extremas o duras
    enfermedades transmitidas por los alimentos
    cualquier enfermedad resultante del consumo de alimentos contaminados, o de las bacterias patógenas, virus u otros parásitos que contaminan los alimentos
    Gram-negativos
    describe una bacteria cuya pared celular contiene poco peptidoglicano pero tiene una membrana externa
    Gram-positivos
    describe una bacteria que contiene principalmente peptidoglicano en sus paredes celulares
    Ventilación hidrotermal
    una fisura en la superficie de la Tierra que libera agua calentada geotérmicamente
    estera microbiana
    una lámina multicapa de procariotas que puede incluir bacterias y arqueas
    MRSA
    (Staphylococcus aureus resistente a meticilina) una cepa de Staphylococcus aureus muy peligrosa resistente a antibióticos
    pandemia
    una enfermedad epidémica generalizada, generalmente mundial
    patógeno
    un organismo, o agente infeccioso, que causa una enfermedad
    peptidoglicano
    un material compuesto por cadenas de polisacáridos reticuladas a péptidos inusuales
    fototrofo
    un organismo que utiliza la energía de la luz solar
    pseudopeptidoglicano
    un componente de algunas paredes celulares de Archaea
    estromatolita
    una estructura sedimentaria estratificada formada por la precipitación de minerales por procariotas en esteras microbianas
    transducción
    el proceso por el cual un bacteriófago mueve el ADN de un procariota a otro
    transformación
    un mecanismo de cambio genético en procariotas en el que el ADN presente en el ambiente se toma en la célula y se incorpora al genoma

    Colaboradores y Atribuciones


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