El Rol Fundamental de los Microorganismos en la Biología y la Salud

Importancia de los Microorganismos

La gran relevancia de los microorganismos en la biosfera se concreta en los siguientes aspectos:

• La gran diversidad: habitan en todos los ecosistemas.
• Gran diversidad metabólica: participan en todos los ciclos de la materia. Desarrollan procesos exclusivos como la fotosíntesis anoxigénica o su capacidad de utilizar materia inorgánica como fuente de energía.
• Su tamaño pequeño les aporta ventajas fisiológicas, como la eficacia del intercambio de nutrientes con el medio o su alta tasa de reproducción.
• Alteran las condiciones fisicoquímicas del medio por agotamiento de nutrientes o por acumulación de desechos producidos.
• Los autótrofos sintetizan gran cantidad de materia orgánica.
• Papel primordial en la descomposición de las rocas para la generación de suelo vegetal.
• Formación y descomposición de recursos geológicos como el petróleo o el carbón.
• Organismos descomponedores en todas las cadenas tróficas. Además, mineralizan compuestos orgánicos, transformándolos en inorgánicos.
• Pueden ser parásitos, saprófitos o simbiontes. Algunas ocupan hábitats exclusivos para evitar la competencia. La mayoría se asocian con otros seres vivos, estableciendo relaciones inofensivas.
• Muchas bacterias y hongos son beneficiosos, incluso imprescindibles para otros seres.

Beneficios de los Microorganismos

• Las bacterias y protozoos ciliados en rumiantes facilitan la digestión por fermentación.
• La asociación entre hongos y algas da lugar a líquenes, pioneros en la colonización de terrenos.
• Su presencia es imprescindible en los ciclos de la materia.
• Bacterias, mohos y hongos se utilizan en la alimentación.
• Degradan cualquier sustrato y restauran el equilibrio de ecosistemas contaminados.
• La ingeniería genética ha desarrollado bacterias que producen insulina, hormona del crecimiento, interferón, vacunas y proteínas plasmáticas.

Microorganismos y Ciclos Biogeoquímicos

La materia circula en los ecosistemas según un sistema cerrado (de productores a descomponedores). A diferencia, la energía se disipa en forma de calor al pasar de unos niveles tróficos a otros. Los bioelementos que forman la materia circulan entre los seres vivos y la materia mineral, mediante mecanismos de reciclaje que se denominan ciclos de la materia o ciclos biogeoquímicos. Los microorganismos tienen gran importancia en estas transformaciones. Algunas solo pueden llevarse a cabo por bacterias.

Ciclo del Carbono

Se puede resumir en dos subciclos:

• Ciclo Corto

  Los seres vivos son los protagonistas; captan y transforman el CO₂ de la atmósfera y el disuelto en la hidrosfera.

  • Los organismos fotosintéticos utilizan el CO₂ atmosférico o el disuelto en el agua para formar materia orgánica.
  • La mayor parte de este carbono (C) vuelve a los medios con la respiración en forma de CO₂ de organismos fotosintéticos, de sus consumidores (animales) y de los descomponedores.
  • Los descomponedores actúan oxidando moléculas orgánicas y originan CO₂ (producto del metabolismo) a partir de cadáveres y desechos.

• Ciclo Largo

  Interviene el carbono (C) almacenado en los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural); en las rocas calcáreas, que se forman en el mar a partir de conchas y esqueletos calcáreos; en la madera de los árboles, y en el interior terrestre.

  • A muy largo plazo, las rocas, por acción del agua y del viento, devuelven el C al medio, y los combustibles fósiles también lo hacen por la acción del ser humano (combustión).

Ciclo del Azufre

El azufre en la atmósfera se encuentra en forma de ácido sulfhídrico, procedente de la actividad de los microorganismos, y de dióxido de azufre, que se origina por la combustión del carbón y el petróleo, así como por las erupciones volcánicas. La pirita y el yeso constituyen la reserva inmóvil de azufre en la biosfera.

Ciclo del Nitrógeno

El nitrógeno del suelo procede mayoritariamente de la descomposición de materia orgánica, principalmente realizada por hongos y bacterias (descomponedores), que lo liberan en forma de amoníaco (NH₃) o ión amonio (NH₄⁺). Este proceso se denomina amonificación.

Estos dos productos son oxidados por otras bacterias (Nitrosomonas), produciendo nitritos (NO₂⁻). Otras bacterias (Nitrobacter) oxidan los nitritos a nitratos (NO₃⁻). El proceso realizado por las bacterias de los géneros Nitrosomonas y Nitrobacter se denomina nitrificación.

Los nitratos son utilizados por las plantas, y estas producen compuestos orgánicos nitrogenados que pasan a los animales siguiendo las cadenas tróficas. Los restos y cadáveres de seres vivos, al descomponerse, cierran el ciclo.

El suelo pierde nitratos por varios factores, entre los cuales se encuentra la desnitrificación que realizan ciertas bacterias. Hay nitrógeno que vuelve al suelo a causa de factores ambientales (rayos, luz ultravioleta, etc.), a la acción de cianobacterias (Clostridium) y, fundamentalmente, a las bacterias en simbiosis con las raíces de las leguminosas (Rhizobium) que captan nitrógeno atmosférico.

Microorganismos y Salud

Los organismos más evolucionados (que poseen gran cantidad de nutrientes) están en contacto con miles de millones de microorganismos. La inmensa mayoría de estos tienen actividad beneficiosa para ellos y no causan enfermedad. A este conjunto se le denomina microbiota normal. Algunos son parásitos y producen enfermedades; en este caso, los denominamos patógenos. Existen microorganismos oportunistas, que normalmente son inofensivos, pero pueden convertirse en patógenos si hay cambios en las condiciones de su hábitat.

Microorganismos como Agentes Infecciosos

Los patógenos destruyen células, directamente o mediante la producción de toxinas (sustancias microbianas que causan efectos perjudiciales al huésped sin la necesaria presencia del organismo que las produce). No todos los agentes infecciosos causan el mismo daño al organismo que invaden. La virulencia indica el grado de patogenicidad de un parásito, es decir, la capacidad de causar una enfermedad.

Las Toxinas

Una de las características que afectan la virulencia de un agente infeccioso es la facultad de producir toxinas. Raramente los síntomas de una infección se deben al número de microorganismos; más bien, responden a los efectos de las toxinas que generan la mayoría de las bacterias. Las toxinas pueden ser de dos tipos:

• Exotoxinas: Proteínas solubles liberadas al medio por bacterias Gram-positivas (Gram+). Son sensibles al calor, muy tóxicas y no producen fiebre. Tienen efectos específicos sobre los tejidos y provocan la formación de anticuerpos.
• Endotoxinas: Lípidos (Lipopolisacáridos) procedentes de la membrana externa de las bacterias Gram-negativas (Gram-). Producen fiebre y tienen efectos generales en el organismo. Son inmunes al calor, con toxicidad baja y no producen anticuerpos.

Los Agentes Patógenos

Los agentes patógenos capaces de causar enfermedades infecciosas a los seres vivos son bacterias, hongos, protozoos, virus, viroides y priones. Las vías de transmisión incluyen el contacto directo, el aire, las relaciones sexuales, el agua, los alimentos o los vectores animales.

Postulados de Koch

Los Postulados de Koch son criterios para establecer la relación causal entre un microorganismo y una enfermedad específica:

1. El microorganismo debe estar presente en todos los individuos que padecen la enfermedad y ausente en los sanos.
2. El microorganismo debe ser aislado del huésped enfermo y cultivado en un medio puro fuera del cuerpo.
3. La enfermedad debe reproducirse cuando el cultivo puro del microorganismo se inocula en un huésped susceptible y sano.
4. El microorganismo debe ser aislado nuevamente del huésped infectado experimentalmente, cultivado y ser idéntico al original.

La Infección

Una infección es cualquier situación en la que un microorganismo patógeno se instala y crece en el huésped, independientemente de que este sea dañado o no. Una enfermedad infecciosa implica, necesariamente, que se cause daño al huésped. Se produce cuando los agentes patógenos llegan al huésped, se adhieren y colonizan los tejidos por los que tienen afinidad.

El desarrollo de una enfermedad infecciosa depende de tres factores que no se mantienen constantes a lo largo del tiempo: la virulencia del microorganismo, la resistencia del huésped (defensas) y el número de patógenos en contacto con el huésped.

• A mayor número de agentes patógenos, mayor probabilidad de desarrollar la enfermedad. Pero si la resistencia del organismo parasitado es baja, el microorganismo es muy virulento, o se dan ambas condiciones, incluso un número reducido de patógenos puede producir la enfermedad.
• Cuando las defensas de un huésped están debilitadas (huésped comprometido), elementos de su propia microbiota o microorganismos externos que normalmente son inofensivos pueden volverse patógenos y causar enfermedad. Se denominan microorganismos oportunistas.

Fases de la Infección

• Adherencia: A las mucosas respiratorias, digestivas o genitourinarias. Se adhieren de manera selectiva a un grupo de células y consiguen penetrar en el huésped. Una bacteria que coloniza el epitelio digestivo humano se une a este con más frecuencia que al intestino de otro animal.
• Penetración: Puede empezar a causar daños liberando toxinas allí mismo donde se ha adherido, pero lo normal es que entre en el tejido y se disemine por el cuerpo, donde prolifera. Allí donde penetra tiene que competir con la flora microbiana normal.
• Crecimiento: La enfermedad requiere el crecimiento en los tejidos del huésped. Requiere nutrientes y un ambiente adecuado. Es difícil que se den todas las condiciones; este hecho origina carencias y limita el crecimiento.

Vías de Transmisión

• Por contacto directo: Interacción entre el huésped y el individuo sano (beso, contacto sexual, lesiones en el cuerpo, a través de la placenta durante el embarazo o la lactancia, es decir, cuando se mezclan fluidos corporales). Así se transmiten enfermedades de transmisión sexual (sífilis, SIDA, herpes genital, gonorrea, etc.) y otras como el herpes labial, tiña, etc.
• Por aire: Viajan suspendidos en gotitas de agua o polvo. La mayoría sobreviven mal en la atmósfera (excepto Staphylococcus o Streptococcus), por lo cual la transmisión más efectiva se produce a corta distancia, al hablar, toser o estornudar. Ejemplos: gripe, COVID-19, resfriado común, tuberculosis, rubéola, meningitis, poliomielitis, etc.
• Por vehículo: El vehículo es cualquier líquido, alimento, material u objeto que sirve para propagar un patógeno. A través de agua o alimentos contaminados se puede contagiar el cólera, la fiebre tifoidea, etc.
• Por vectores: Un vector es todo ser vivo capaz de transmitir un patógeno, por ejemplo, piojos, pulgas, garrapatas. En el caso del ser humano, se denomina portador, no vector.

Tipos de Infecciones

• Infecciones bacterianas: Se deben principalmente a la producción de toxinas. Existen vacunas para la mayoría de ellas. La mayoría de bacterias son sensibles al tratamiento con antibióticos. Ejemplos: peste bubónica, cólera, tuberculosis, meningitis, tétanos, difteria, salmonelosis.
• Infecciones por hongos (micosis): Infecciones superficiales (piel, cabello, uñas o mucosas). Se alimentan de células muertas que se desprenden. El tratamiento es largo y se basa en antimicóticos. Ejemplos: candidiasis (causa lesiones cuando prolifera, provoca picor intenso), tiña (cutánea, manchas escamosas, burbujas, afecta al cuero cabelludo).
• Infecciones por protozoos (protozoosis): Se tratan con quimioterapia. Ejemplos: malaria o paludismo, toxoplasmosis, enfermedad del sueño, enfermedad de Chagas, tricomoniasis.
• Infecciones víricas: Presentan tasas muy elevadas de mutación, lo que lleva a la aparición de virus nuevos con diferente virulencia. Vías de contagio frecuentes: contacto directo (inhalación de gotículas en el aire, saliva, relaciones sexuales) o contacto indirecto (alimentos, agua). La mayoría se instalan en mucosas; otras afectan al hígado o al sistema inmunitario. Ejemplos: gripe, poliomielitis, sarampión, hepatitis, rabia, varicela, viruela.

El VIH/SIDA

El VIH (Virus de Inmunodeficiencia Humana) es un virus que reduce la respuesta inmunitaria, provocando su destrucción. Esto causa vulnerabilidad a infecciones oportunistas y ciertos tipos de cáncer. Se detectó inicialmente en jóvenes homosexuales con pocos linfocitos T. Posteriormente se observó en drogadictos, hemofílicos, receptores de transfusiones, contactos sexuales y bebés de madres infectadas.

• Fase inicial: El VIH penetra en el individuo y se disemina a tejidos linfoides. Se detectan antígenos y luego anticuerpos (4-12 semanas). El individuo seropositivo tiene anticuerpos anti-VIH.
• Fase crónica: Dura 2-10 años, con proliferación viral baja y suele ser asintomática.
• Fase final (SIDA): Alta replicación del VIH, destrucción del sistema inmunitario, aparición de infecciones graves y muerte.
• Contagio, prevención, diagnóstico y tratamiento: El virus se contagia por fluidos corporales (sangre, esperma, fluidos vaginales, leche materna). El diagnóstico se realiza con el método ELISA (detección de anticuerpos anti-VIH). El tratamiento se basa en antirretrovirales (ralentizan la infección, dificultan la transcripción inversa y la integración del ADN viral).

Prevención de Infecciones

• Control del crecimiento de patógenos en alimentos o utensilios.
• Evitar contacto directo o proximidad con reservorios.
• Medidas profilácticas si hay alto riesgo de infección.
• Métodos curativos si la enfermedad ya se ha desarrollado.

Medidas Preventivas

• Vacunas: Contienen microorganismos muertos o debilitados, o toxinas inactivadas, que inducen una respuesta inmunitaria.

Medidas Curativas

• Sulfamidas: Sustituyen metabolitos bacterianos.
• Quinolonas: Inhiben procesos del ADN bacteriano.
• Antibióticos: Matan o inhiben el crecimiento de bacterias.
• Antimicóticos: Tratan infecciones fúngicas, pero pueden tener efectos secundarios.
• Antivirales: Inhiben la replicación vírica; pueden ser tóxicos para el huésped. El interferón es un antiviral natural.
• Toxina botulínica (Botulina): Usada para tratar migrañas, espasmos y neuralgia del trigémino.

Resistencia a Fármacos

Los microorganismos pueden adquirir resistencia por mutaciones o por plásmidos R. El uso incorrecto de antimicrobianos favorece el desarrollo de resistencias.

Microorganismos y Biotecnología

Un microorganismo útil para la biotecnología debe crecer rápido, cultivarse a gran escala y producir sustancias aprovechables en poco tiempo.

Industria Alimentaria

Fermentaciones industriales en fermentadores:

• Fermentación oxidativa: Requiere aire (fermentación incompleta).
• Fermentación anoxidativa: Sin oxígeno (verdadera fermentación).

Microorganismos y Medio Ambiente

La biotecnología ambiental utiliza microorganismos para preservar el medio ambiente. Se enfoca en dos líneas principales:

• Biorremediación: Eliminación de contaminantes.
• Biodegradación: Degradación de materiales (papel, pintura, etc.).