8.5A: Análisis fenotípico

Los microorganismos pueden clasificarse sobre la base de la estructura celular, el metabolismo celular o las diferencias en los componentes celulares.

Objetivos de aprendizaje

• Distinguir entre características fenotípicas para bacterias, arqueas y eucariotas

Puntos Clave

• La relación entre los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eucariontes) es de importancia central para entender el origen de la vida. La mayoría de las vías metabólicas son comunes entre Archaea y Bacterias, mientras que la mayoría de los genes involucrados en la expresión del genoma son comunes entre Archaea y Eukarya.
• Los microorganismos son muy diversos. Incluyen bacterias, hongos, algas y protozoos; plantas microscópicas y animales. Los microorganismos unicelulares fueron las primeras formas de vida que se desarrollaron en la tierra, hace aproximadamente 3 mil millones-4 mil millones de años.
• La tinción Gram caracteriza a las bacterias en función de las características estructurales de sus paredes celulares. Al combinar morfología y tinción Gram, la mayoría de las bacterias pueden clasificarse como pertenecientes a uno de 4 grupos (cocos Gram-positivos, bacilos Gram-positivos, Cocos Gram-negativos y Bacilos Gram-negativos).
• Existen algunas diferencias básicas entre bacterias, arqueas y eucariotas en la morfología y estructura celular que ayudan en la clasificación fenotípica e identificación.

Términos Clave

• Tinción de Gram: Método para diferenciar especies bacterianas en dos grandes grupos (Gram-positivos y Gram-negativos).
• microorganismo: Un organismo que es demasiado pequeño para ser visto a simple vista, especialmente un organismo unicelular, como una bacteria.
• dominio: En el sistema de tres dominios, uno de los tres taxones en ese rango: Bacterias, Archaea o Eucariontes.

Los microorganismos son muy diversos. Incluyen bacterias, hongos, algas y protozoos; plantas microscópicas (algas verdes); y animales como rotíferos y planarios. La mayoría de los microorganismos son unicelulares (unicelulares), pero esto no es universal.

Los microorganismos unicelulares fueron las primeras formas de vida que se desarrollaron en la tierra, hace aproximadamente 3 mil millones-4 mil millones de años. La evolución posterior fue lenta, y durante cerca de 3 mil millones de años en el eón precámbrico, todos los organismos fueron microscópicos. Entonces, durante la mayor parte de la historia de la vida en la tierra las únicas formas de vida fueron los microorganismos. Se han identificado bacterias, algas y hongos en ámbar que tiene 220 millones de años, lo que demuestra que la morfología de los microorganismos ha cambiado poco desde el periodo Triásico. Cuando a finales del ^siglo XIX comenzó a acumularse información sobre la diversidad dentro del mundo bacteriano, los científicos comenzaron a incluir a las bacterias en esquemas filogenéticos para explicar cómo pudo haberse desarrollado la vida en la tierra. Algunos de los árboles filogenéticos tempranos del mundo procariota estaban basados en la morfología. Otros se basaron en las ideas entonces actuales sobre las presuntas condiciones en nuestro planeta en el momento en que la vida se desarrolló por primera vez.

Los microorganismos tienden a tener una evolución relativamente rápida. La mayoría de los microorganismos pueden reproducirse rápidamente, y los microbios como las bacterias también pueden intercambiar libremente genes a través de conjugación, transformación y transducción, incluso entre especies ampliamente divergentes. Esta transferencia genética horizontal, unida a una alta tasa de mutación y muchos otros medios de variación genética, permite que los microorganismos evolucionen rápidamente (vía selección natural) para sobrevivir en nuevos entornos y responder a las tensiones ambientales.

La relación entre los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eucariontes) es de importancia central para entender el origen de la vida. La mayoría de las vías metabólicas, que comprenden la mayoría de los genes de un organismo, son comunes entre Archaea y Bacterias, mientras que la mayoría de los genes involucrados en la expresión del genoma son comunes entre Archaea y Eukarya. Dentro de los procariotas, la estructura celular arqueal es más similar a la de las bacterias Gram-positivas.

Métodos fenotípicos de clasificación e identificación de microorganismos

La clasificación busca describir la diversidad de especies bacterianas nombrando y agrupando organismos basados en similitudes. Los microorganismos se pueden clasificar en base a la estructura celular, metabolismo celular o en diferencias en componentes celulares como ADN, ácidos grasos, pigmentos, antígenos y quinonas.

Figura: Morfología Bacteriana: Diferencias morfológicas básicas entre bacterias. Las formas más frecuentemente encontradas y sus asociaciones.

Existen algunas diferencias básicas entre bacterias, arqueas y eucariotas en la morfología y estructura celular que ayudan en la clasificación e identificación fenotípica:

Figura: Tamaños relativos de células procariotas: Escalas relativas de eucariotas, procariotas, virus, proteínas y átomos (escala logarítmica).

• Bacterias: carecen de orgánulos unidos a membrana y pueden funcionar y reproducirse como células individuales, pero a menudo se agregan en colonias multicelulares. Su genoma suele ser un solo bucle de ADN, aunque también pueden albergar pequeños trozos de ADN llamados plásmidos. Estos plásmidos pueden transferirse entre células a través de conjugación bacteriana. Las bacterias están rodeadas por una pared celular, que proporciona resistencia y rigidez a sus células.
• Archaea: En el pasado no se reconocieron las diferencias entre bacterias y arqueas y las arqueas se clasificaron con bacterias como parte del reino Monera. Las arqueas también son organismos unicelulares que carecen de núcleos. Las arqueas de hecho difieren de las bacterias tanto en su genética como en su bioquímica. Mientras que las membranas celulares bacterianas están hechas de fosfoglicéridos con enlaces éster, las membranas arqueas están hechas de éter lípidos.
• Eucariotas: A diferencia de las bacterias y las arqueas, los eucariotas contienen orgánulos como el núcleo celular, el aparato de Golgi y las mitocondrias en sus células. Al igual que las bacterias, las células vegetales tienen paredes celulares y contienen orgánulos como los cloroplastos además de los orgánulos en otros eucariotas.

La tinción de Gram, desarrollada en 1884 por Hans Christian Gram, caracteriza a las bacterias en función de las características estructurales de sus paredes celulares. Las gruesas capas de peptidoglicano en la pared celular “Gram-positivas” se tiñen de púrpura, mientras que la delgada pared celular “Gram-negativa” aparece rosa. Al combinar morfología y tinción Gram, la mayoría de las bacterias pueden clasificarse como pertenecientes a uno de cuatro grupos (cocos Gram-positivos, Bacilos Gram-positivos, Cocos Gram-negativos y Bacilos Gram-negativos). Algunos organismos se identifican mejor por manchas distintas de la tinción Gram, particularmente micobacterias o Nocardia, que muestran solidez a los ácidos en Ziehl—Neelsen o manchas similares. Otros organismos pueden necesitar ser identificados por su crecimiento en medios especiales, o por otras técnicas, como la serología.

Figura: Bacterias Gram-positivas: Streptococcus mutans visualizadas con tinción Gram.

Si bien estos esquemas permitieron la identificación y clasificación de cepas bacterianas, no estaba claro si estas diferencias representaban variación entre distintas especies o entre cepas de la misma especie. Esta incertidumbre se debió a la falta de estructuras distintas en la mayoría de las bacterias, así como a la transferencia lateral de genes entre especies no relacionadas. Debido a la transferencia lateral de genes, algunas bacterias estrechamente relacionadas pueden tener morfologías y metabolismos muy diferentes. Para superar esta incertidumbre, la clasificación bacteriana moderna enfatiza la sistemática molecular, utilizando técnicas genéticas como la determinación de la relación guanina citosina, la hibridación genoma-genoma, así como la secuenciación de genes que no han sufrido una transferencia génica lateral extensa, como el gen rRNA.