Fundamentos de Microbiología: Bacterias, Virus, Hongos y Genética Molecular

Introducción a la Microbiología y su Evolución Histórica

La microbiología estudia los microorganismos (bacterias, virus, hongos y parásitos) y sus interacciones con hospederos, el ambiente y procesos productivos. Aunque los patógenos poseen patogenicidad (capacidad de causar daño) e inician la patogénesis (proceso de infección, colonización y daño), la mayoría son beneficiosos e indispensables en la industria, la agricultura y la microbiota intestinal.

La disciplina evolucionó desde teorías miasmáticas ("mal aire" o emanaciones nocivas sin agentes identificados) que explicaban plagas como la Peste Negra (causada por la bacteria Yersinia pestis transmitida por pulgas) hacia el rigor científico mediante hitos clave:

• Louis Pasteur: Refutó la generación espontánea, demostró la fermentación, creó la pasteurización, impulsó la higiene, desarrolló vacunas atenuadas y estableció la teoría germinal al asociar patógenos específicos a enfermedades concretas.
• Robert Koch: Creó los cultivos puros y formuló sus Postulados (vigentes hoy) para relacionar causalmente un microorganismo con una enfermedad.
• Edward Jenner: Creó la primera vacuna con viruela vacuna, logrando la erradicación de la viruela humana.

Estos hallazgos desplazaron la mortalidad global desde infecciones hacia patologías crónicas, enfrentando hoy desafíos como los rebrotes por movimientos antivacunas y la Resistencia a Antimicrobianos (RAM).

Morfología y Estructura de las Bacterias

Las bacterias son procariontes unicelulares sin núcleo delimitado por membrana ni organelos, compuestas por un 70% de agua y un 30% de peso seco (donde el ARN representa ~12% y el ADN ~3%, siendo falso que el ADN constituya el 70%). Según la nomenclatura binominal, se nombran por género (con mayúscula inicial) y especie (en minúscula, ambos en itálica; p. ej., Escherichia coli).

Morfología y Pared Celular

Se organizan morfológicamente en:

• Cocos: Forman agrupaciones como racimos (estafilococos), diplococos o cadenas (estreptococos).
• Bacilos, vibrios y espirilos.

Salvo excepciones como Mycoplasma, poseen una pared celular de peptidoglicano (formado por N-Acetilglucosamina [NAG], N-Acetilmurámico [NAM], D-Alanina y Ácido diaminopimélico [DAP]), cuya unión final mediante la reacción de transpeptidación es inhibida por la penicilina. La pared diferencia a las bacterias mediante la tinción de Gram (Hans Christian Gram, 1884):

• Gram positivas: Presentan una pared gruesa de peptidoglicano con ácidos teicoicos y lipoteicoicos.
• Gram negativas: Poseen una capa delgada de peptidoglicano rodeada por una membrana externa con porinas (que permiten el paso de pequeñas moléculas hidrofílicas mediante canales acuosos) y lipopolisacárido (LPS), compuesto por el Antígeno O, el polisacárido central y el Lípido A (el cual contiene ácidos grasos y lo ancla a la membrana externa).

Estructuras Internas y Externas

Por debajo se encuentra la membrana plasmática (bicapa fosfolipídica rica en proteínas, sin esteroles, con permeabilidad selectiva y encargada de la conservación de energía mediante la fuerza protón-motriz), y el citoplasma con ribosomas 70S (subunidades 30S + 50S), el nucleoide (un único ADN cromosómico circular) y los plásmidos (ADN extracromosómico de replicación autónoma).

Externamente, pueden presentar:

• Glicocálix o cápsula: Protección frente a la fagocitosis e iniciación de biofilms.
• Fimbrias: Microfibrillas de adherencia específica.
• Pili sexual: Permite acercar bacterias para la transferencia genética en la conjugación.
• Flagelos: De naturaleza proteica y función motil.

Frente al estrés o falta de nutrientes, géneros como Bacillus y Clostridium realizan esporulación, un mecanismo de diferenciación y supervivencia celular altamente resistente al calor, no un mecanismo reproductivo. La organización estructural (Membrana plasmática → periplasma → peptidoglicano → membrana externa) va desde el interior hacia el exterior de la bacteria.

Fisiología, Nutrición y Metabolismo Microbiano

La fisiología y nutrición microbiana estudia las funciones y la captación de nutrientes para la reproducción, requiriendo:

• Macronutrientes: C, H, O, N, P, S (~95% del peso seco, destacando C con 50% y N con 12%).
• Micronutrientes: Elementos traza como Co, Zn, Cu.
• Factores de crecimiento: Vitaminas, aminoácidos.
• Sideróforos: Para captar el hierro insoluble.

Medios de Cultivo y Clasificación Nutricional

En el laboratorio, los medios de cultivo se clasifican en:

• Generales: Caldo/agar nutritivo.
• Enriquecidos: Agar sangre para microorganismos exigentes.
• Selectivos: MacConkey, EMB o salino para inhibir grupos específicos.
• Diferenciales: Distinguen características como fermentación de lactosa (Lac+/Lac-) o hemólisis (α, β, γ).

Nutricionalmente se clasifican por su fuente de energía en fotótrofas (luz) o quimiótrofas (química); de electrones en organótrofas (orgánicos) o litótrofas (inorgánicos); y de carbono en autótrofas (CO₂) o heterótrofas (orgánicos), siendo las de interés médico quimioorganoheterótrofas.

Metabolismo Energético

El metabolismo abarca el anabolismo (biosíntesis que consume ATP) y el catabolismo (degradación que genera ATP y fuerza protón-motriz reoxidando coenzimas como NAD+/NADH). En el catabolismo quimioorganotrófico:

• Glicólisis: Degrada glucosa a piruvato generando 2 ATP netos y 2 NADH.
• Respiración aeróbica: Los electrones van a la cadena transportadora (CTE) usando O₂ como aceptor final para generar hasta 38 ATP.
• Respiración anaerobia: La CTE usa aceptores inorgánicos alternativos (NO₃⁻, SO₄²⁻, Fe³⁺).
• Fermentación: Proceso anaeróbico sin CTE ni aceptor externo, sintetizando ATP solo a nivel de sustrato con la función crítica de reoxidar NADH a NAD+, liberando ácidos, alcoholes o gas.

Crecimiento Bacteriano y Control de Microorganismos

El crecimiento bacteriano se logra por fisión binaria y se mide mediante turbidimetría (densidad óptica) o recuento de células viables. Es afectado por la temperatura (psicrófilos, mesófilos, termófilos), el pH y la disponibilidad de O₂ (aerobios, anaerobios).

Métodos de Control y Antibióticos

Para el control se utiliza la esterilización mediante autoclave (calor húmedo), calor seco, radiaciones, bajas temperaturas y filtración (para termosensibles). Se emplean desinfectantes en superficies y antisépticos en tejidos vivos (alcohol, yodo, amonio cuaternario).

Finalmente, los antibióticos actúan sobre la pared celular, permeabilidad de membrana (polimixinas), síntesis proteica, ADN/ARN (quinolonas, rifampicina) y vías metabólicas; clasificándose en bacteriostáticos, bactericidas o bacteriolíticos y enfrentando el grave problema de la resistencia a antimicrobianos.

Genoma Bacteriano y Biología Molecular

El genoma bacteriano comprende la totalidad de su información genética, formado por un core genómico (genes esenciales conservados), elementos especie-específicos y un cromosoma circular haploide de ADN sobreenrollado condensado en el nucleoide, junto a material extracromosómico como plásmidos (ADN circular autorreplicativo con genes adaptativos de resistencia o virulencia).

Su biología molecular sigue el dogma central:

• Replicación: El ADN es semi-conservativa y bidireccional desde el origen ori.
• Transcripción: Realizada por la ARN polimerasa, cuya holoenzima reconoce promotores con secuencias consenso a -35 y -10 mediante el factor sigma, generando ARNm policistrónico (varias proteínas por molécula) que se transcribe y traduce de forma simultánea.
• Traducción: Ocurre en ribosomas 70S (subunidades 30S y 50S) usando ARNt adaptadores y el código genético.

Variabilidad Genética y Transferencia Horizontal

La variabilidad genética proviene de mutaciones (cambios heredables puntuales, silenciosos, de sentido erróneo, sin sentido o por corrimiento del marco de lectura) y de la Transferencia Horizontal de Genes (THG):

• Transformación: Captación de ADN desnudo por competencia natural o artificial.
• Conjugación: Transferencia replicativa directa mediante pilus codificada por plásmidos.
• Transducción: Transferencia mediada por bacteriófagos líticos o templados de forma generalizada o especializada.

Micología: Características de los Hongos

Los hongos (Reino Fungi) son organismos eucariontes heterótrofos por absorción (degradan sustratos externamente liberando enzimas), con pared celular de quitina y glucanos. Su función ecológica principal es la descomposición de materia orgánica (saprófitos, reciclando lignina y celulosa), aunque también actúan como parásitos (provocando enfermedades agrícolas) y mutualistas (líquenes y micorrizas).

Se dividen estructuralmente en:

• Unicelulares: Levaduras.
• Pluricelulares: Hongos filamentosos o mohos, formados por una red de hifas tubulares que constituyen el micelio.

Las hifas, de crecimiento apical, se clasifican en septadas (con tabiques porosos) o cenocíticas, e incluyen estructuras especializadas como haustorios para penetrar hospedadores. La reproducción ocurre por esporas asexuadas (externas como conidios o internas dentro de esporangios) o sexuadas. Taxonómicamente se clasifican en: Chytridiomycota, Zygomycota (zigomicetos de hifas cenocíticas como Rhizopus), Ascomycota y Basidiomycota (hongos con basidios y micelio dicariótico, como setas, royas y carbones).

Virología: Estructura y Replicación Viral

Los virus son parásitos intracelulares obligados formados por ácido nucleico (ADN o ARN) y una cápside proteica, divididos en virus desnudos o envueltos. Morfológicamente se clasifican en helicoidales, icosaédricos o complejos (como bacteriófagos).

Según la Clasificación de Baltimore: el ARN de sentido positivo (+) actúa directamente como ARNm traducible por ribosomas, mientras que el sentido negativo (-) requiere una replicasa viral para transcribir la hebra complementaria. La virulencia y el tropismo viral dependen de la susceptibilidad (receptores específicos como CD4, CCR5 o CXCR4 en VIH) y permisividad de la célula hospedadora, derivando en infecciones:

• Líticas: Muerte celular con liberación masiva.
• Persistentes.
• Latentes: Permanencia silenciosa con brotes.
• Transformantes.

El ciclo replicativo consta de 5 etapas principales: Adsorción/Penetración, denudamiento (liberación del ácido nucleico), biosíntesis de macromoléculas, ensamblaje/maduración y liberación.