Microbiología: Canadian Edition
- Ilustre y describa brevemente los requisitos de temperatura mínima, óptima y máxima para el crecimiento
- Identifique y describa las diferentes categorías de microbios con requisitos de temperatura para el crecimiento: psicrófilos, psicrótrofos, mesófilos, termófilos, hipertermófilos
- Dar ejemplos de microorganismos en cada categoría de tolerancia a la temperatura
- ¿Qué requisitos de temperatura tienen la mayoría de los patógenos bacterianos humanos?
- ¿Qué adaptación del ADN presentan los termófilos?
- Los microorganismos se desarrollan en un amplio rango de temperaturas; han colonizado diferentes entornos naturales y se han adaptado a temperaturas extremas. Tanto las temperaturas extremas de frío como las de calor requieren ajustes evolutivos en las macromoléculas y los procesos biológicos.
- Los psicrófilos crecen mejor en el rango de temperaturas de 0 a 15 °C mientras que los psicrótrofos prosperan entre 4 °C y 25 °C.
- Los mesófilos crecen mejor a temperaturas moderadas en el rango de 20 °C a unos 45 °C. Los patógenos suelen ser mesófilos.
- Los termófilos y los hipertemófilos están adaptados a la vida a temperaturas superiores a 50 °C.
- Las adaptaciones a las temperaturas frías y calientes requieren cambios en la composición de los lípidos y las proteínas de la membrana.
- ¿Cómo se adaptan las proteínas de los hipertermófilos a las altas temperaturas de su entorno?
- ¿Por qué la NASA financia la investigación microbiológica en la Antártida?
- La bacteria que causa la enfermedad de Hansen (lepra), Mycobacterium leprae, infecta principalmente las extremidades del cuerpo: manos, pies y nariz. ¿Puede hacer una conjetura sobre su temperatura óptima de crecimiento?
- Consulte la figura 9.39. Algunos hipertermófilos pueden sobrevivir a temperaturas de autoclave. Son una preocupación en la atención sanitaria?
Cuando se inició la exploración del lago Whillans en la Antártida, los investigadores no esperaban encontrar mucha vida. Las constantes temperaturas bajo cero y la falta de fuentes obvias de nutrientes no parecían ser condiciones que pudieran sustentar un ecosistema próspero. Para su sorpresa, las muestras extraídas del lago mostraban abundante vida microbiana. En un entorno diferente pero igualmente duro, las bacterias y arqueas crecen en el fondo del océano alrededor de los respiraderos de aguas profundas (Figura 9.38), donde las temperaturas pueden alcanzar los 340 °C (700 °F). De hecho, algunas de esas bacterias y arqueas son los productores primarios del ecosistema de los respiraderos, proporcionando carbono fijo a los demás organismos.
A diferencia de otras condiciones ambientales como el pH o la osmolaridad, los microbios no tienen forma de regular su temperatura: su temperatura interna coincide con la de su entorno. Los cambios de temperatura son los que más afectan a las enzimas y a su actividad, con una temperatura óptima que conduce al metabolismo más rápido y a la tasa de crecimiento resultante. Las temperaturas inferiores a la óptima conducen a una disminución de la actividad enzimática y a un metabolismo más lento, mientras que las temperaturas más elevadas pueden llegar a desnaturalizar proteínas como las enzimas y las proteínas portadoras, lo que conduce a la muerte celular. Como resultado, los microbios tienen una curva de crecimiento en relación con la temperatura, con una temperatura óptima en la que la tasa de crecimiento alcanza su máximo, así como temperaturas mínimas y máximas en las que el crecimiento continúa pero no es tan robusto. Para una bacteria, el rango de crecimiento suele estar en torno a los 30 grados (Figura 9.39).
La tendencia ascendente de las tasas de crecimiento entre los psicrófilos y los hipertermófilos se atribuye a la relación entre la energía térmica y la velocidad de las reacciones químicas y se ha denominado «efecto Arrhenius». Se trata de una referencia a la ecuación de Arrhenius que describe la relación entre la temperatura y la velocidad de una reacción química.
Mesófilos
Los organismos categorizados como mesófilos («amantes del medio») están adaptados a temperaturas moderadas, con temperaturas de crecimiento óptimas que van desde la temperatura ambiente (unos 20 °C) hasta unos 45 °C. Como cabría esperar por la temperatura central del cuerpo humano, 37 °C, la microbiota humana normal y los patógenos (por ejemplo, E. coli, Salmonella spp. y Lactobacillus spp.) son mesófilos. Los mesófilos ocupan los mismos entornos que los humanos, en cuanto a los alimentos que comemos, las superficies que tocamos y el agua en la que nos bañamos y bebemos.
Picrófilos
Los psicrófilos son los amantes del frío, con un óptimo de 15oC o inferior y un rango de crecimiento de -20oC a 20oC. La mayoría de estos microbios se encuentran en los océanos, donde la temperatura suele ser de 5oC o más fría. También se pueden encontrar en el Ártico y el Antártico, viviendo en el hielo dondequiera que puedan encontrar bolsas de agua líquida. Los organismos extraídos de los lagos árticos, como el lago Whillans, se consideran psicrófilos extremos. La adaptación al frío requirió la evolución de proteínas específicas, en particular enzimas, que pueden seguir funcionando a bajas temperaturas. Estas enzimas son más flexibles que sus homólogas mesófilas y termófilas y tienen sitios catalíticos más accesibles para adaptarse a tasas de difusión más lentas. Este aumento de la flexibilidad tiene un coste, ya que las proteínas psicrófilas se desnaturalizan rápidamente por encima de su temperatura óptima. La adaptación al crecimiento a temperaturas más bajas también requirió la modificación de la membrana plasmática para mantenerla semifluida. Los psicrófilos tienen una mayor cantidad de ácidos grasos insaturados y de cadena más corta. Por último, los psicrófilos producen crioprotectores: proteínas o azúcares especiales que impiden el desarrollo de los dañinos cristales de hielo. Los psicrófilos o microbios tolerantes al frío tienen un rango de 0-35oC, con un óptimo de 16oC o más. Se encuentran en muchos entornos naturales de climas templados y son responsables del deterioro de los alimentos refrigerados. El patógeno humano Listeria monocytogenes es un ejemplo. Crece en las tripas del ganado, puede contaminar la carne de vacuno, la leche y los cultivos, pero a diferencia de los patógenos humanos mesófilos típicos, crece a temperaturas refrigeradas. Las infecciones alimentarias se producen por el consumo de alimentos listos para el consumo, como la lechuga, los quesos no pasteurizados y los embutidos. Debido a que son activos a baja temperatura, los psicrófilos y psicrótrofos son importantes descomponedores en climas fríos. y sus enzimas son de interés para la biotecnología.
Foco Clínico: Resolución
La presencia de Listeria en la sangre de Jeni sugiere que sus síntomas se deben a listeriosis, una infección causada por L. monocytogenes. La listeriosis es una infección grave con una tasa de mortalidad del 20% y supone un riesgo especial para el feto de Jeni. Una muestra del líquido amniótico cultivada para detectar la presencia de Listeria dio resultados negativos. Como la ausencia de organismos no descarta la posibilidad de una infección, se realizó una prueba molecular basada en la amplificación del ácido nucleico del ARN ribosómico 16S de Listeria para confirmar que ninguna bacteria había atravesado la placenta. Afortunadamente, los resultados de la prueba molecular también fueron negativos.
Jeni fue ingresada en el hospital para recibir tratamiento y recuperarse. Recibió una dosis alta de dos antibióticos por vía intravenosa durante 2 semanas. Los fármacos preferidos para el tratamiento de la listeriosis son la ampicilina o la penicilina G con un antibiótico aminoglucósido. La resistencia a los antibióticos comunes sigue siendo rara en la Listeria y el tratamiento con antibióticos suele tener éxito. Fue dada de alta para recibir cuidados en casa después de una semana y se recuperó completamente de su infección.
L. monocytogenes es un bacilo corto grampositivo que se encuentra en el suelo, el agua y los alimentos. Está clasificado como psicrótrofo y también es halotolerante. Su capacidad para multiplicarse a temperaturas de refrigeración (4-10 °C) y su tolerancia a altas concentraciones de sal (hasta el 10% de cloruro de sodio ) la convierten en una fuente frecuente de intoxicación alimentaria. Como la Listeria puede infectar a los animales, suele contaminar alimentos como la carne, el pescado o los productos lácteos. La contaminación de los alimentos comerciales suele tener su origen en las biopelículas persistentes que se forman en los equipos de fabricación que no se limpian lo suficiente.
La infección por Listeria es relativamente frecuente entre las mujeres embarazadas porque los elevados niveles de progesterona regulan a la baja el sistema inmunitario, lo que las hace más vulnerables a la infección. El patógeno puede atravesar la placenta e infectar al feto, lo que a menudo provoca un aborto espontáneo, el nacimiento de un bebé muerto o una infección neonatal mortal. Por ello, se aconseja a las mujeres embarazadas que eviten el consumo de quesos blandos, embutidos refrigerados, mariscos ahumados y productos lácteos no pasteurizados. Dado que la bacteria Listeria puede confundirse fácilmente con los difteroides, otro grupo común de bacilos grampositivos, es importante alertar al laboratorio cuando se sospecha de listeriosis.
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Termófilos e hipertermófilos
Los organismos que crecen a temperaturas óptimas de 50 °C a un máximo de 80 °C se denominan termófilos («amantes del calor»). No se multiplican a temperatura ambiente. Los termófilos están ampliamente distribuidos en aguas termales, suelos geotérmicos y entornos creados por el hombre, como las pilas de abono de los jardines, donde los microbios descomponen los residuos orgánicos. Algunos ejemplos de termófilos son Thermus aquaticus y Geobacillus spp. Más arriba en la escala de temperaturas extremas encontramos a los hipertermófilos, que se caracterizan por tener rangos de crecimiento de 80 °C a un máximo de 110 °C, con algunos ejemplos extremos que sobreviven a temperaturas superiores a 121 °C, la temperatura media de un autoclave. Los respiraderos hidrotermales del fondo del océano son un ejemplo excelente de entornos extremos, con temperaturas que se calcula que alcanzan los 340 °C (Figura 9.38). Los microbios aislados en los respiraderos logran un crecimiento óptimo a temperaturas superiores a los 100 °C. Ejemplos notables son Pyrobolus y Pyrodictium, arqueas que crecen a 105 °C y sobreviven al autoclave. Tanto los termófilos como los hipertermófilos requieren enzimas especializadas y termoestables, resistentes a la desnaturalización y al desdoblamiento. A diferencia de sus homólogos psicrófilos, están más plegadas, lo que las hace menos flexibles y con un sitio catalítico menos accesible. Además, estos organismos expresan proteínas chaperonas protectoras que ayudan a plegar las proteínas y a mantener su estructura nativa. Las enzimas de estos organismos también son de interés para la biotecnología. Fue el descubrimiento de Thermus aquaticus lo que llevó al bioquímico Kary Mullis a inventar la revolucionaria técnica de la PCR (reacción en cadena de la polimerasa), utilizando la ADN polimerasa termoactiva del organismo (la Taq polimerasa). Esta técnica se utiliza en todos los campos de la biología y, en combinación con los avances en la secuenciación y el desarrollo de la metagenómica, ha revolucionado el campo de la microbiología. El Dr. Mullis recibió el Premio Nobel de Química en 1993.
La adaptación a temperaturas de crecimiento más elevadas también requirió adaptaciones para mantener la consistencia semifluida de la membrana plasmática. Los lípidos de la membrana de estos organismos contienen un alto contenido de ácidos grasos saturados. Debido a sus estructuras lineales, los lípidos saturados se empaquetan con más fuerza, lo que da lugar a una membrana más organizada y aumenta su temperatura de fusión. Además, el enlace éter de las arqueas termófilas e hipertermófilas es más termoestable que el enlace éster de los fosfolípidos. La alta estabilidad térmica de las membranas de las arqueas hipertermófilas también se debe a su estructura de monocapa de tetraéter, ya que las capas interna y externa de una bicapa de membrana se separarán bajo temperaturas muy altas.
Adaptación a las fluctuaciones de temperatura
La capacidad de adaptación a las fluctuaciones de temperatura permite a los organismos sobrevivir, si no crecer, a temperaturas mínimas y máximas o cercanas a ellas. La mayoría de los organismos pueden alterar los tipos de lípidos que sintetizan en respuesta a dichas fluctuaciones. Además, la inducción de proteínas de choque térmico o de choque frío son respuestas globales al estrés que implican la expresión de proteínas chaperonas que pueden ayudar a plegar las proteínas desplegadas o pueden formar caparazones protectores alrededor de las proteínas para evitar su desnaturalización. Sin embargo, es importante recordar que esta capacidad no altera la temperatura óptima de crecimiento del organismo: por lo tanto, el hecho de que E. coli pueda sobrevivir en una hamburguesa poco cocinada no la convierte en termófila o hipertermófila
Aplicaciones prácticas
Algunas de las aplicaciones prácticas de los efectos destructivos del calor sobre los microbios son la esterilización por vapor, la pasteurización y la incineración de bucles de inoculación. Mientras que la refrigeración y la congelación se utilizan para la conservación de los alimentos, la congelación a 80 °C, o incluso más baja con nitrógeno líquido, se utiliza para la conservación a largo plazo de los cultivos de bacterias y arqueas. Los efectos perjudiciales de la formación de cristales de hielo pueden evitarse mezclando suspensiones líquidas de células con soluciones estériles del crioprotector glicerol. Los cultivos pueden resistir la liofilización y luego ser almacenados como polvos en ampollas selladas para ser reconstituidos con caldo cuando se necesiten.
La vida en ambientes extremos plantea cuestiones fascinantes sobre la adaptación de las macromoléculas y los procesos metabólicos. La astrobiología es una disciplina relativamente nueva que implica la investigación multidisciplinar del origen, la evolución y la distribución de la vida en el universo. Los estudios de los psicrófilos e (hiper)termófilos pueden informar sobre nuestra comprensión de la evolución de la vida en la Tierra (y posiblemente en otros lugares) durante los días más cálidos del joven planeta, y la posible existencia de vida en los entornos generalmente más fríos del espacio, y en particular, en Marte.
Visita la web de astrobiología de la NASA para conocer más sobre esta disciplina, y aprender cómo los estudios de las cianobacterias extremófilas pueden aportar información sobre la posibilidad de vida microbiana en Marte