MICROBIOLOGIA TEMA 1 (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biotecnología - 2º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 18/11/2014
Descargas 12
Subido por

Vista previa del texto

      MICROBIOLOGIA   2º  CURS  DE  BIOTECNOLOGIA                                             BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   1.1  Què  és  la  microbiologia?   La  microbiologia  és   l’estudi  dels  microorganismes,  organismes  microscòpics  formats  per  una  sola   cèl·∙lula.   Els   microorganismes,   a   diferència   de   les   plantes   i   els   animals,   són   entitats   independents   que   duen   a   terme   els   processos   vitals   independentment   de   la   resta   de   cèl·∙lules.   Aquests   organismes  tenen  una  construcció  relativament  simple  i  no  posseeixen  cèl·∙lules  ni  teixits  altament   diferenciats.   La  ciència  de  la  microbiologia  gira  entorn  dos  aspectes  interconnectats:  L’enteniment  del  món  dels   organismes   microscòpics   i   comprendre   els   seus   processos   biològics,   i   l’aplicació   d’aquests   coneixements  pel  benefici  humà.   1.2  Els  microorganismes  com  a  cèl·∙lules:  Característiques  de  la  vida  cel·∙lular   1.2.1  Propietats  de  totes  les  cèl·∙lules   1.  Compartimentalització  i  metabolisme   Les  cèl·∙lules  són  compartiments  que  prenen  nutrients  del  seu  medi,  els  transformen  i  alliberen   els  residus  al  medi.  La  cèl·∙lula  és  doncs  un  sistema  obert.   2.  Reproducció  (creixement)   Les   substàncies   del   medi   són   transformades   en   noves   cèl·∙lules   sota   la   direcció   genètica   de   cèl·∙lules  preexistents.   3.  Evolució   Les  cèl·∙lules  contenen  gens  i  evolucionen  per  mostrar  propietats  biològiques  noves.  Els  arbres   filogenètics  mostren  les  relacions  evolutives  entre  cèl·∙lules.   1.2.2  Propietats  d’algunes  cèl·∙lules   4.  Comunicació   Les   cèl·∙lules   es   comuniquen   o   interaccionen   mitjançant   substàncies   que   són   expulsades   o   captades.   5.  Moviment   Algunes  cèl·∙lules  són  capaces  d’autopropulsar-­‐se.   6.  Diferenciació   Algunes   cèl·∙lules   poden   formar   noves   estructures   cel·∙lulars   com   per   exemple   una   espora,   normalment  com  a  part  d’un  cicle  cel·∙lular.           BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   1.3  Funcions  de  la  cèl·∙lula   Cèl·∙lules   són   organismes   vius,   on   les   seves   activitats   rutinàries   es   poden   veure   de   dues   maneres:   (1) Les   cèl·∙lules   es   poden   considerar   com   a   màquines   vives   que   porten   a   terme   transformacions  químiques.   -­‐   Enzims:   Són   biocatalitzadors   proteics   d’aquesta   maquinària   química,   que   acceleren   la   velocitat   de   les   reaccions   químiques,   però   no   canvien   el   seu   equilibri   químic.   (2) Les   cèl·∙lules   es   poden   considerar   també   com   a   sistemes   codificats   que   emmagatzemen  i  processen  informació  genètica  (DNA)  que  passa  finalment  d’una   cèl·∙lula  a  la  descendència  durant  la  reproducció  i  l’evolució.   Les   cèl·∙lules   coordinen   les   funcions   catalítiques   i   genètiques   per   poder   créixer.   En   els   esdeveniments   que   donen   lloc   a   la   divisió   cel·∙lular,   tots   els   constituents   de   la   cèl·∙lula   es   dupliquen.   Això   requereix   que   la   maquinària   catalítica,   els   enzims,   subministrin   energia   i   precursors  per  la  biosíntesi  de  components  cel·∙lulars,  i  que  per  tant,  es  repliquin  els  gens   complementaris.   Així   doncs,   les   funcions   catalítiques   i   genètiques   han   d’estar   altament   coordinades.                                 BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   1.4  Membres  del  món  microbià   Totes  les  cèl·∙lules  microbianes  tenen  el  següent  en  comú:   o Presenten   una   envolta   que   delimita   el   seu   medi   intern   de   l’extern,   anomenada  membrana  plasmàtica.   o Presenten   una   sèrie   de   molècules   i/o   orgànuls   en   suspensió   en   un   medi   líquid  intracel·∙lular,  anomenat  citoplasma.   o Presenten   ribosomes,   que   són   proteïnes   encarregades   de   la   traducció   genètica,  transformen  el  RNAm  (gen  transcrit)  en  una  proteïna.   o És   troba   en   algunes   cèl·∙lules   i   les   protegeix   de   la   pressió   osmòtica   per   evitar   la  lisi  cel·∙lular,  aquesta  estructura  és  la  paret  cel·∙lular.   Com  a  característiques  diferencials  entre  microorganismes  tenim:   -­‐ En  el  cas  de  les  cèl·∙lules  procariòtiques   § -­‐ -­‐ Els   manca   una   membrana   real   que   delimiti   el   nucli.   (DNA   en   el   citoplasma).   En  el  cas  de  les  cèl·∙lules  eucariòtiques   § Posseeixen  una  membrana  que  envolta  el  nucli   § Són  morfològicament  més  complexes  i  normalment  més  grans  que   les  cèl·∙lules  procariòtiques   § Alguns  exemples:  Algues,  protozous  i  fongs  (llevats  i  floridures)   En  el  cas  especial  dels  Virus,  que  pràcticament  difereixen  de  la  resta  de  cèl·∙lules  en   que:   § No  es  consideren  cèl·∙lules   § No  posseeixen  habilitats  metabòliques  pròpies   § Depenen  completament  de  la  maquinària  biosintètica  de  les  cèl·∙lules   infectades  (paràsits  estrictes)   § Infecten  tot  tipus  de  cèl·∙lules   § Com   a   curiositat,   el   virus   més   petit   fa   uns   10   nm   de   diàmetre   (l’organisme  més  petit  de  la  Terra).         BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES     1.5  Importància  dels  microorganismes   Els   microorganismes   són   considerats   com   la   forma   de   vida   més   antiga.   Representen   la   biomassa  (material  viu)  més  gran  arreu  del  planeta,  per  això  se’ls  considera  un  dels  grups   més  importants  d’organismes   Desenvolupen   els   processos   principals   dels   cicles     biogeoquímics,   jugant   un   paper   principal   en  el  reciclatge  d’elements  essencials  i  són  fonts  de  nutrients,  duent  a  terme  alguns  d’ells   la  fotosíntesi.   1.6  Impacte  dels  microorganismes  en  els  humans   La  microbiologia  ha  avançat  enormement  en  la  salut  humana  i  el  benestar.  A  més  a  més,   d’entendre   els   microorganismes   com   a   agents   de   les   malalties,   també   s’ha   avançat   en   comprendre   el   paper   dels   microorganismes   en   el   menjar   i   l’agricultura,   i   en   explotar   les   activitats  microbianes  per  produir  productes  valuosos  per  l’home.   La  microbiologia  engloba  aspectes  tant  bàsics  com  aplicats:   -­‐ Els   aspectes   bàsics   es   centren   en   grups   individuals   de   microorganismes,   genètica,   fisiologia  microbiana,  biologia  molecular  i  taxonomia.   Els   microorganismes   poden   ser   tant   beneficiosos   com   perjudicials   pels   humans.   Normalment  s’ha  fet  més  èmfasi  en  els  microorganismes  perjudicials  (agents  de  malalties   infeccioses,   o   patògens).   Però   a   la   naturalesa   hi   ha   molts   més   microorganismes   beneficiosos  que  perjudicials.   1.7  Microbiologia  aplicada   Microbiologia   clínica:   S’ocupa   de   les   malalties   en   humans   i   en   animals   (Control   de   malalties  infeccioses  durant  l’últim  segle).   Immunologia:  S’ocupa  de  com  els  sistema  immune  protegeix  un  hoste  de  patògens.   Ecologia  microbiana:  S’ocupa  de  la  relació  dels  microorganismes  i  el  medi  ambient   Genètica   microbiana   i   biologia   molecular:   S’ocupa   de   l’enteniment   de   com   funciona   la   informació   genètica   i   de   com   aquesta   regula   el   desenvolupament   de   les   cèl·∙lules   i   els   organismes.             BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   El  futur  de  la  microbiologia,  reptes  i  oportunitats  de  futur  pels  futurs  microbiòlegs:   -­‐ Malalties  infeccioses   -­‐ Processos  industrials  nous  i  millorats   -­‐ Biofilms   -­‐ Anàlisi  genòmica   -­‐ Microorganismes  com  a  sistemes  model   -­‐ Assessorament  de  les  implicacions  de  nous  descobriments  i  tecnologies   -­‐ Diversitat  microbiana  i  ecologia  microbiana   -­‐ Menys  de  l’1  %  de  la  població  microbiana  terrestre  s’ha  cultivat     1.8  Arrels  històriques  de  la  microbiologia   Etapes  principals   Períodes   Època   Eines   Primer   Antiguitat  fins  els  primers   Especulatiu   microscopistes   Segon   1675  fins  a  mitjans  del  s.   XIX   Lenta  acumulació   d’observacions   Tercer   Mitjans  de  s.  XIX  fins   començaments  del  s.  XX   Cutliu  de   microorganismes   Començaments  de  s.  XX   fins  a  l’actualitat   Fisiologia,   bioquímica,   genètica,   ecologia…   Quart         Fites   Fermentacions  (pa,  derivats  làctics,   begudes  alcohòliques)  i  malalties   infeccioses   Observacions  dels  primers   microorganismes  (Leeuwenhoek)   amb  el  desenvolupament  dels   microscopis   Refutació  de  la  teoria  de  la   generació  espontània  (Pasteur).   Paper  dles  microorganismes  en  les   malalties  (postulats  de  Koch)   Desenvolupament  de  la  virologia,   immunologia,  etc…         BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   Els  primers  microscopis   Tot   i   que   l’existència   d’organismes   massa   petits   com   per   veure’ls   a   ull   nu   feia   temps   que   se   sospitava,   la   seva   descoberta   va   estar   relacionada   amb   l’invenció   del   microscopi.   Robert   Hooke   (1635   –   1703),   un   matemàtic   i   historiador   natural   anglès,   va   ser   també   un   excel·∙lent   microscopista.   En  el  seu  famós  llibre  Micrographia  (1665),  el  primer  llibre  dedicat  a  observacions  microscòpiques,   Hooke  va  il·∙lustrar,  entre  altres  coses,  els  cossos  fructífers  dels  fongs.   La   primera   persona   a   veure   els   bacteris   va   ser   l’alemany   constructor   de   microscopis   Antoni   van   Leeuwenhoek   (1632   –   1723).   Al   1684,   van   Leeuwenhoek,   que   estava   assabentat   del   treball   de   Hooke,  va  fer  servir  microscopis  extraordinàriament  simples  construïts  per  ell  mateix  per  examinar   el   contingut   de   microbis   d’una   substància   natural.   Ell   va   descobrir   els   bacteris   el   1676   mentre   estudiava   les   infusions   de   pebre.   De   fet   va   ser   la   primera   persona   que   observa   i   descriu   els   microorganismes  de  forma  acurada  (que  va  publicar  amb  el  nom  d’Animàlculs).   Ferdinand   Cohn   (1828   –   1898)   va   néixer   a   l’actual   Polònia.   Va   ser   format   com   a   botànic   i   es   va   convertir  en  un  excel·∙lent  microscopista.  Els  seus  interessos  en  microscòpia  el  van  portar  a  l’estudi   de   les   algues   unicel·∙lulars   i   més   tard   als   bacteris.   Cohn   estava   interessat   particularment   en   la   resistència   a   la   calor   dels   bacteris,   que   el   va   conduir   a   la   descoberta   que   alguns   bacteris   són   formadors   d’endòspores.   Cohn   va   descriure   el   cicle   de   vida   cel·∙lular   del   bacteri   formador   d’endòspores  Bacillus.   Segle  XIX   Louis   Pasteur   (1822   –   1895),   va   ser   un   químic   de   formació   i   va   ser   un   dels   primers   en   reconèixer   la   importància  dels  isòmers  òptics.  Una  molècula  és  òpticament  activa  si  una  solució  pura  o  cristal·∙lina   difracta  la  llum  en  una  sola  direcció.   La  teoria  de  la  generació  espontània  va  ser  refutada  pel  brillant  treball  de  Pasteur.  El  concepte  de   generació  espontània  va  existir  durant  molt  de  temps.  El  concepte  es  basa  principalment  en  que  la   matèria  viva  es  genera  del  no  res.     Amb  un  exemple,  si  deixem  un  tros  de  carn  durant  un  temps,  aquest  es  podreix.  Quan  examinem  el   tros   al   microscopi,   el   menjar   podrit   sembla   estar   ple   de   bacteris   i   fins   i   tot   cucs.   D’on   han   sorgit   aquests   organismes   que   aparentment   no   hi   eren   al   tall   fresc?   Alguns   deien   que   sorgien   espontàniament  de  materials  no  vius  (  generació  espontània).   Pasteur  va  convertir-­‐se  en  un  fort  opositor  de  la  teoria  de  la  generació  espontània.  Ell  va  predir  que   els  microorganismes  que  s’observaven  a  l’aliment  putrefacte,  també  estaven  presents  en  l’aire  i  la   putrefacció  resultava  de  l’activitat  d’aquests  microorganismes  que  entraven  de  l’aire  o  que  hi  eren   a  la  superfície  on  es  recolzaven  els  materials.               BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   L’experiment  que  va  fer  servir  per  demostrar  aquest  fet  va  ser  el  següent:   La  refutació  de  la  generació  espontània     A  principis  del  segle  XVI  ja  es  pensava  que  alguna  cosa  que  induïa  la  malaltia  podia  ser  transmesa   d’una  persona  malalta  a  una  de  sana.  L’establiment  de  la  connexió  depenia  del  desenvolupament   de   tècniques   d’estudi   dels   microorganismes:   cultius   sòlids,   tincions,   etc…   Però   no   va   ser   fins   al   treball   del   físic   alemany,   Robert   Kock   (1843   –   1910),   que   el   concepte   de   malaltia   infecciosa   es   donava  amb  un  suport  experimental.   Postulats  de  Kock:  Malalties  infeccioses  i  el  sorgiment  dels  cultius  purs   En   els   seus   primers   treballs,   Koch   va   estudiar   l’àntrax,   causat   pel   bacteri   formador   d’endòspores   Bacillus  Anthracis.  Fent  servir  cuidadosament  un  microscopi  i  utilitzant  tincions  especials,  Kcoh  va   establir  que  la  bacteris  era  present  en  la  sang  de  l’animal  que  patia  la  malaltia.  Tanmateix,  Koch  va   raonar  que  una  mera  associació  del  bacteri  amb  la  malaltia  no  era  una  prova  de  causa  i  efecte.     Koch  va  aprofitar  la  oportunitat  d’estudiar  el  principi  de  causa  i  efecte  experimentalment  utilitzant   l’àntrax.   Va   usar   els   criteris   establerts   pel   seu   professor   Jacob   Henle   (1809-­‐   1895),   amb   els   quals   Koch  va  formular  una  sèrie  de  criteris  rigorosos  coneguts  com  a  postulats  de  Koch:   1. L’organisme  causant  de  la  malaltia  ha  d’esta  sempre  present  en  l’animal  que  pateix  la   malaltia,  però  no  l’animal  sa.     2. El  microorganisme  ha  de  poder  ser  cultivat  en  un  cultiu   pur  separat  del  cos  de  l’animal.           BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   3. L’organisme  aïllat  ha  de  causar  la  malaltia  quan  és  inoculat  en  un  animal  sa  que  hi  sigui   susceptible.     4. L’organisme  ha  de  poder  ser  aïllat  del  nou  animal  infectat  i  cultivat  de  nou  al  laboratori,   després  d’això  s’hauria  de  poder  veure  que  és  el  mateix  que  l’organisme  original.   Encara   s’utilitzen   avui   en   dia   per   establir   la   relació   entre   un   microorganisme   determinat   i   una   malaltia  particular.   Per   les   malalties   humanes   en   les   quals   hi   ha   un   animal   model   disponible,   és   relativament   fàcil   utilitzar   els   postulats   de   Koch.   Però   en   la   medicina   moderna,   això   no   sempre   és   així   de   fàcil.   Principalment,  perquè  els  agents  causants  d’algunes  malalties  humanes  no  produeixen  cap  malaltia   en   cap   animal   experimental   conegut.   És   a   dir,   que   per   la   majoria   d’aquestes   malalties   no   és   pot   demostrar  de  forma  inequívoca  la  relació  causa-­‐efecte.   El  segle  d’or  de  la  microbiologia  (1857  –  1914)   A  mesura  que  la  microbiologia  entrava  al  segle  XX,  van  sorgir  dos  gegants  d’aquesta  era:  Martinus   Beijerinck  i    Sergei  Winogradsky.  Durant  aquesta  època  es  van  desenvolupar  tècniques  per  l’estudi   de   patògens   microbians,   i   juntament   amb   el   treball   de   Koch   van   donar   lloc   a   la   descoberta   i   desenvolupament  de:  l’agar,  les  plaques  de  petri,  el  brou  i  agar  nutritiu  i  mètodes  per  l’aîllament   de  microorganismes.  Amb  els  quals  es  van  descobrir  molts  organismes  causants  de  malalties.   Amb   Sergey   Winogradsky   (1856   –   1953)   es   van   desenvolupar   molts   estudis   del   metabolisme   microbià.   Winogradsy   tenia   interès   en   estudiar   la   diversitat   bacteriana   en   sòls   i   l’aigua   i   va   tenir   molt  èxit  en  aïllar  bacteris  clau  de  mostres  naturals.  Sobretot  mostrava  interès  en  els  bacteris  del   cicle   del   nitrògen   i   sofre.   Amb   aquests   va   desenvolupar   l’important   concepte   de   quimiolitotròfia   (l’oxidació  de  compostos  inorgànics  acoblada  a  l’obtenció  d’energia  utilitzable).   En   el   camp   de   desenvolupament   de   tècniques   biològiques,   Martinus   Beijerinck   va   formular   la   tècnica  del  cultiu  d’enriquiment,  on  els  microorganismes  són  aïllats  de  mostres  naturals  utilitzant   tècniques  altament  selectives  per  ajustar  els  nutrients  i  les  condicions  d’incubació  a  favor  d’un  grup   metabòlic  d’organismes.   Finalment,   també   es   va   tenir   una   millor   comprensió   del   paper   de   la   immunologia   i   les   formes   de   controlar  i  prevenir  les  infeccions  per  microorganismes.   Era  moderna  de  la  microbiologia  (Segles  XX  i  XXI)   Al   segle   XX   el   camp   de   la   microbiologia   es   desenvolupa   en   dues   direccions   diferents:   Aplicada   i   bàsica.   Durant   aquest   període   van   estar   disponibles   noves   eines   de   laboratori,   i   la   ciència   de   la   microbiologia  va  començar  a  madurar  amb  l’aparició  de  noves  subdisciplines.             BLOC  1    ESTRUCTURA  I  FUNCIÓ  DELS  PROCARIÒTES      TEMA  1.  EL  MÓN  DELS  MICROORGANISMES   (1) Origen  de  les  principals  subdisciplines  de  la  Microbiologia  Aplicada:   -­‐ Microbiologia  Clínica  i  immunologia:  tenen  les  seves  arrels  en  el  treballs  de  Koch.   -­‐ Microbiologia  agrícola  i  Microbioloiga  industrial:  Es  desenvolupen  a  partir  dels  conceptes   iniciats  per  Beijerinck  i  Windogradsky.   -­‐ Microbiologia   aquàtica   i   microbiologia   marina:   desenvolupades   a   partir   d’avenços   aconseguits  en  la  microbiologia  del  sòl.   -­‐ Ecologia  microbiana:  emergeix  als  1960s-­‐70s   (2) Subdisciplines  científiques  bàsiques  que  apareixen  en  microbiologia   -­‐ Sistemàtica  Microbiana:  ciència  que  agrupa  i  classifica  els  microorganisme   -­‐ Fisiologia   Microbiana:   estudi   dels   nutrients   que   els   microorganismes   requereixen   pel   metabolisme  i  creixement  i  els  productes  que  generen.   -­‐ Citologia:  estudi  de  l’estructura  cel·∙lular   -­‐ Bioquímica  microbiana:  estudi  dels  enzims  microbians  i  les  reaccions  químiques.   -­‐ Genètica  bacteriana:  estudi  de  l’herència  i  la  variació  en  bacteris.   -­‐ Virologia:  estudi  dels  virus.   L’era  de  la  microbiologia  molecular   Molts  dels  avenços  avui  dia  en  la  microbiologia  venen  donats  per  la  revolució  de  la  genòmica.  És  a   dir,  estem  clarament  en  l’era  de  la  microbiologia  molecular.  Els  ràpids  progressos  en  la  tecnologia   de   seqüenciació   del   DNA   i   un   a   millora   en   el   poder   computacional   han   generat   una   immensa   quantitat   d’informació   genòmica   que   ha   donat   suport   als   avenços   més   importants   en   medicina,   agricultura,  biotecnologia  i  l’ecologia  microbiana.   Biotecnologia   -­‐ Es   basa   en   la   capacitat   de   manipulació   de   genomes   cel·∙lulars.   En   aquest   aspecte,   el   DNA   d’un  organisme  pot  ser  “transplantat”  en  un  bacteri  i  les  proteïnes  codificades  per  aquest   DNA  exògen.   Genòmica:  Comprèn  l’estudi  de  tot  el  material  genètic  (DNA)  en  cèl·∙lules  vives.   Proteòmica:  Es  basa  en  l’estudi  de  totes  les  proteïnes  produïdes  per  les  cèl·∙lules.   Metabolòmica:  Constitueix  l’estudi  de  l’expressió  metabòlica  en  les  cèl·∙lules.   ...