Microorganismes: Guia Completa d'Interès i Aplicacions

Microorganismes d'Interès Ambiental

Els microorganismes són extremadament abundants i diversos, especialment en el sòl (terrestre i marí). Molts no poden ser cultivats i només es detecten per tècniques com la metagenòmica. Són essencials en molts ecosistemes, formant comunitats com *biofilms* i participant en simbiosis amb plantes i animals.

Funcions Principals

• Simbiosis amb organismes eucariotes.
• Participació en la piràmide tròfica.
• Agents clau en cicles biogeoquímics (C, N, S, Fe).
• Producció de compostos d'interès (antibiòtics, aliments, combustibles).

Cicles Importants

• Cicle del Carboni

  Inclou processos com la *fotoautotròfia*, *quimioautotròfia*, *metanogènesi* i *metanotròfia*. El balanç entre aquests processos és crucial pel canvi climàtic.

• Cicle del Nitrogen

  Intervenen en la *fixació*, *amonificació*, *nitrificació* i *desnitrificació*. Són imprescindibles per convertir el nitrogen atmosfèric en formes assimilables.

Microorganismes d'Interès Biotecnològic

Els microorganismes es poden utilitzar per obtenir productes útils en medicina, indústria, alimentació i medi ambient.

Procés Biotecnològic

• Aïllament i selecció de soques eficients.
• Millora genètica per optimitzar la producció.
• Escalat industrial de la producció.
• Control fisiològic i cinètic del procés de fermentació.

Productes

• Metabòlits primaris: produïts durant la fase de creixement.
• Metabòlits secundaris: produïts a la fase estacionària, sovint amb valor farmacològic.

Aplicacions

• Alimentàries: fermentació amb cultius iniciadors, producció de proteïna *unicel·lular*.
• Sanitàries: producció de probiòtics, antibiòtics, vacunes, proteïnes recombinants, transformacions d'esteroides.
• Ambientals: *bioremediació* (bioestimulació, bioaugment), *biolixiviació*, *cèl·lules de combustible microbianes*, tractament d'aigües residuals.

Microorganismes d'Interès Clínic

La microbiota humana inclou microorganismes residents (no patògens) i transitoris. La microbiota intestinal té un gran impacte en la salut, participant en processos digestius i immunològics.

Tipus de Patògens

• Patogen primari: pot causar malaltia en persones sanes.
• Patogen oportunista: requereix condicions favorables (p. ex., sistema immunitari debilitat).

Taxonomia Bacteriana

La *sistemàtica* classifica els éssers vius segons la seva evolució. Es divideix en:

• Filogènia: relacions evolutives.

• Taxonomia

  • Classificació: agrupació segons similituds.
  • Nomenclatura: assignació de noms segons regles.
  • Identificació: determinar a quin grup pertany un microorganisme.

Tipus de Classificació

• Fenotípica: basada en característiques morfològiques, fisiològiques o bioquímiques.
• Filogenètica: basada en el gen SSU rRNA (16S per bacteris).
• Genotípica: comparació de gens o genoma complet (>=70% similitud genòmica o 95% ANI = mateixa espècie).

També es parla del concepte de *soca tipus* i de *Candidatus* per a microorganismes no cultivables.

Identificació Fenotípica

S'utilitzen:

• Característiques clàssiques: morfologia, metabolisme, bioquímica (ex. FAME per perfils d'àcids grassos), ecologia.
• Moleculars: contingut G+C, hibridació d'ADN, empremta genètica.

Permeten classificar bacteris cultivables i diferenciar entre soques similars.

Identificació Genotípica

Principal tècnica: seqüenciació del gen SSU rRNA (16S rRNA):

• Permet estudiar relacions evolutives i identificar espècies.
• Utilitza regions conservades (primers universals) i variables (diferenciació).
• Altres tècniques: MLSA/MLST, RAPD, seqüenciació del genoma complet.

Evolució Genòmica

• Pangenoma, illes cromosòmiques, transferència horitzontal, duplicacions, famílies gèniques.

Membrana Plasmàtica

Bicapa lipídica amb fosfolípids. Fluïdesa i permeabilitat segons àcids grassos i condicions ambientals.

Diferències

• Arqueus: enllaços èter, monocapes lipídiques, isoprens.
• Bacteris: enllaços èster, hopanoides.
• Eucariotes: esterols.

Funcions

• Permeabilitat selectiva, ancoratge proteic, generació d'energia (força motriu de protons).

Transport

• Passiu: difusió simple i facilitada.
• Actiu: amb ATP o força de protons.
• Secreció: proteïnes i vesícules *extracel·lulars*.

Paret Cel·lular

• Gram +: capa gruixuda de peptidoglicà, àcids teicoics.
• Gram -: dues membranes, espai periplasmàtic, lipopolisacàrids (LPS).
• Micobacteris: paret amb glicolípids, molt hidrofòbica.
• Arqueus: capa S, pseudomureïna.

Peptidoglicà: NAG + NAM amb enllaç beta-1,4. Inhibidors: penicil·lina, fosfomicina, bacitracina.

Remodelació: autolisines, regulació genètica (FtsZ, MreB).

Estructures Externes No Essencials

Glicocàlix

• Càpsula: compacta, protegeix.
• Capa mucosa: laxa, permeable.
• Biofilm: comunitat microbiana adherida amb matriu protectora.

Fímbries i pilis: adhesió, conjugació, adhesines (ex: FinH).

Flagels: moviment (monotric, lofotric, peritric). Motor proteic amb força de protons.

Arqueus: hami, cànules, archaellum.

Citoplasma

• Micro/nanocompartiments: estructures amb enzims encapsulats.
• Vesícules de gas: flotació.
• Glòbuls de sofre, polímers de reserva: energia.
• Magnetosomes: orientació magnètica.
• Clorosomes: captació de llum.
• Sistemes de membranes internes: optimització metabòlica.

Heterocists, Endospores i Formes de Resistència

Endospores: capes protectores (exospori, còrtex, paret, nucli), deshidratació amb DPA i Ca2+.

Esporulació: divisió asimètrica, formació de prespora, maduració i alliberament.

Altres formes: conidis, mixospores, heterocists (fixació de nitrogen en cianobacteris).

Nutrients i Transport

Els bacteris usen tots els elements excepte gasos nobles. P:N:C = 1:15:100.

Tipus de transport: simple, translocació de grup, transport ABC.

Energies: química (quimiòtrofs) i lumínica (fotòtrofs).

Bioenergètica i Catabolisme

Energia lliure de Gibbs, conservació en ATP.

Torre de potencial redox: més alt -> més energia.

Transportadors: NAD+/NADH, citocroms, FADH2.

Glucòlisi (EMP): guany net 2 ATP, 2 NADH, 2 piruvats.

Fermentació: recicla NADH -> diversos àcids, alcohols, gasos.

Respiració i Cicles

Cicle de Krebs: genera NADH/FADH2, CO2.

Cicle de glioxilat: regeneració d'oxalacetat per organismes amb compostos C2.

Cadena de transport electrònic (CTE): fosforilació oxidativa via ATP sintasa.

Acceptors alternatius -> respiració anaeròbica.

Fototròfia

Oxigènica: cianobacteris, dos fotosistemes.

Anoxigènica: bacteris verds/liles, un fotosistema cíclic.

Pigments: clorofil·la, bacterioclorofil·la.

Bacteriorodopsina: ATP sense fotosistema ni oxigen.

Autotròfia i Fixació de Nitrogen

Cicle de Calvin (rubisco), cicle d'Arnon, via del hidroxipropionat.

Fixació de N2 per nitrogenasa, gran despesa d'energia i protecció contra O2.

Simbiosi amb plantes lleguminoses (ex. Rhizobium).

Respiració en Condicions Variades

Anaeròbica: nitrats, sulfits com acceptors d'electrons.

Quimiolitòtrofs: oxiden compostos inorgànics (H2, sofre, ferro).

Sistema Sox (oxidació sofre), oxidació de ferro a pH àcid.

Metabolisme C1

Acetogènesi: CO2 -> acetat.

Metanogènesi: CO2 + H2 -> CH4 (arqueus).

Metanotròfia: oxidació de metà per biomassa.

Oxidació anaeròbica de metà en consorcis amb bacteris sulfats.

Fermentació

Diverses vies segons substrats i productes: àcid làctic, acètic, butíric, etanol.

Exemples: via ED, fermentació 2,3-butandiòlica, fermentació butanol-acetona.

Fermentació d'aminoàcids: reacció de Stickland.

Metabolisme dels Hidrocarburs

Aeròbic: monooxigenases, dioxigenases.

Anaeròbic: sense oxigen però amb oxidació activada.

Aromàtics: complexa degradació oxidativa.

Organització Genòmica

Genoma bacterià: un únic cromosoma circular + plasmidis.

Arqueus: estructura semblant a eucariotes (histones, múltiples orígens de replicació).

Gen: unitat funcional; pot formar part d'operons (transcripció policistrònica).

Transcripció i traducció acoblades.

Genoma: compactat, amb pocs introns. Codons i lectura contínua.

Mutacions i Mecanismes de Variabilitat

Tipus de mutacions: puntuals, insercions, delecions, transposons.

Causes: errors replicatius, agents mutàgens (UV, agents alquilants...).

Reparació: fotoreactivació, escissió, recombinació, resposta SOS.

Transferència Horitzontal

• Transformació: incorporació de DNA lliure.
• Transducció: via bacteriòfags.
• Conjugació: via plasmidis conjugatius (F+, Hfr).

Eines i Tècniques de Manipulació Genètica

Endonucleases de restricció: tallen DNA en seqüències específiques.

Vectors: plasmidis amb ori, marcador i MCS (polilinker).

Clonatge: inserció de fragments en vectors i introducció en hostes.

PCR: amplificació específica de DNA.

Electroforesi: separació de fragments segons mida.

Hibridació: detecció de seqüències per sondes marcades.

Seqüenciació: clàssica (Sanger) i nova generació (NGS).

Edició genètica: CRISPR-Cas com a eina d'especificitat altíssima.

Enginyeria Genètica en Procariotes

Producció de proteïnes recombinants (insulina, enzims...).

Obtenció de soques millorades (resistència, productivitat...).

Biosensors, bioremediació, biofertilitzants.

Expressió heteròloga i regulació amb promotors inductibles.

Aplicacions i Consideracions Ètiques

Riscos ambientals, bioètica, conteniment biològic.

Gens marcadors de resistència, transferència no desitjada.

Normatives i control d'OGM (organismes genèticament modificats).