La microbiología (del griego antiguo μῑκρος ( mīkros ) 'pequeño', βίος ( bíos ) ' vida ' y -λογία ( -logía ) 'estudio de') es el estudio científico de los microorganismos , siendo estos unicelulares (unicelulares), multicelular (que consta de células complejas) o acelular (que carece de células). [1] [2] La microbiología abarca numerosas subdisciplinas que incluyen virología , bacteriología , protistología , micología , inmunología y parasitología .
Los microorganismos eucariotas poseen orgánulos unidos a membranas e incluyen hongos y protistas , mientras que los organismos procarióticos (todos ellos microorganismos) se clasifican convencionalmente como carentes de orgánulos unidos a membranas e incluyen bacterias y arqueas . [3] [4] Los microbiólogos tradicionalmente dependían del cultivo, la tinción y la microscopía para el aislamiento y la identificación de microorganismos. Sin embargo, menos del 1% de los microorganismos presentes en ambientes comunes pueden cultivarse de forma aislada utilizando los medios actuales. [5] Con el surgimiento de la biotecnología , los microbiólogos actualmente dependen de herramientas de biología molecular como la identificación basada en secuencias de ADN, por ejemplo, la secuencia del gen 16S rRNA utilizada para la identificación bacteriana.
Los virus se han clasificado de diversas formas como organismos, [6] ya que se los ha considerado microorganismos muy simples o moléculas muy complejas. Los priones , nunca considerados microorganismos, han sido investigados por los virólogos; sin embargo, como los efectos clínicos que se les atribuyen se supusieron originalmente debido a infecciones virales crónicas, los virólogos emprendieron una búsqueda y descubrieron "proteínas infecciosas".
La existencia de microorganismos fue predicha muchos siglos antes de que fueran observados por primera vez, por ejemplo, por los jainistas en la India y por Marco Terencio Varrón en la antigua Roma. La primera observación microscópica registrada fue de los cuerpos fructíferos de los mohos, realizada por Robert Hooke en 1666, pero el sacerdote jesuita Athanasius Kircher fue probablemente el primero en ver microbios, que mencionó haber observado en la leche y el material pútrido en 1658. Se considera que Antonie van Leeuwenhoek padre de la microbiología , ya que observó y experimentó con organismos microscópicos en la década de 1670, utilizando microscopios simples de su diseño. La microbiología científica se desarrolló en el siglo XIX gracias al trabajo de Louis Pasteur y en la microbiología médica Robert Koch .
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La existencia de microorganismos fue planteada como hipótesis durante muchos siglos antes de su descubrimiento real. La existencia de vida microbiológica invisible fue postulada por el jainismo , que se basa en las enseñanzas de Mahavira , ya en el siglo VI a. C. (599 a. C. - 527 a. C.). [7] : 24 Paul Dundas señala que Mahavira afirmó la existencia de criaturas microbiológicas invisibles que viven en la tierra, el agua, el aire y el fuego. [7] : 88 Las escrituras jainistas describen nigodas , que son criaturas submicroscópicas que viven en grandes grupos y tienen una vida muy corta, y se dice que impregnan todas las partes del universo, incluso en los tejidos de las plantas y la carne de los animales. [8] El romano Marco Terencio Varrón hizo referencia a los microbios cuando advirtió contra la ubicación de una granja en las proximidades de pantanos "porque allí se crían ciertas criaturas diminutas que no pueden ser vistas por los ojos, que flotan en el aire y entran en el cuerpo a través de la boca y la nariz y, por lo tanto, causar enfermedades graves". [9]
Los científicos persas plantearon la hipótesis de la existencia de microorganismos, como Avicena en su libro El canon de la medicina , Ibn Zuhr (también conocido como Avenzoar), que descubrió los ácaros de la sarna , y Al-Razi , que dio la descripción más antigua conocida de la viruela en su libro La vida virtuosa. (al-Hawi). [10] El taoísta Baoshengjing del siglo X describe "innumerables microgusanos orgánicos" que se asemejan a semillas de vegetales, lo que llevó al sinólogo holandés Kristofer Schipper a afirmar que "los chinos de la época conocían la existencia de bacterias dañinas". [11]
En 1546, Girolamo Fracastoro propuso que las enfermedades epidémicas eran causadas por entidades transferibles parecidas a semillas que podían transmitir infecciones por contacto directo o indirecto, o por transmisión vehicular. [12]
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En 1676, Antonie van Leeuwenhoek , que vivió la mayor parte de su vida en Delft , Países Bajos, observó bacterias y otros microorganismos utilizando un microscopio de lente única de diseño propio . [14] [2] Se le considera el padre de la microbiología , ya que utilizó microscopios simples de una sola lente de su propio diseño. [14] Si bien a menudo se cita a Van Leeuwenhoek como el primero en observar microbios, Robert Hooke hizo su primera observación microscópica registrada de los cuerpos fructíferos de los mohos en 1665. [15] Sin embargo, se ha sugerido que un sacerdote jesuita llamado Athanasius Kircher fue el primero en observar microorganismos. [dieciséis]
Kircher fue uno de los primeros en diseñar linternas mágicas para proyección, por lo que conocía bien las propiedades de las lentes. [16] Escribió "Sobre la maravillosa estructura de las cosas en la naturaleza, investigada por el microscopio" en 1646, afirmando "quién creería que en el vinagre y la leche abundan una multitud innumerable de gusanos". También observó que el material pútrido está lleno de innumerables animálculos reptantes. Publicó su Scrutinium Pestis (Examen de la peste) en 1658, afirmando correctamente que la enfermedad era causada por microbios, aunque lo que vio probablemente fueron glóbulos rojos o blancos en lugar del agente de la peste en sí. [dieciséis]
El campo de la bacteriología (posteriormente una subdisciplina de la microbiología) fue fundado en el siglo XIX por Ferdinand Cohn , un botánico cuyos estudios sobre algas y bacterias fotosintéticas lo llevaron a describir varias bacterias, entre ellas Bacillus y Beggiatoa . Cohn también fue el primero en formular un esquema para la clasificación taxonómica de las bacterias y en descubrir las endosporas . [17] Louis Pasteur y Robert Koch fueron contemporáneos de Cohn y, a menudo, se les considera los padres de la microbiología moderna [16] y la microbiología médica , respectivamente. [18] Pasteur es más famoso por su serie de experimentos diseñados para refutar la entonces ampliamente aceptada teoría de la generación espontánea , solidificando así la identidad de la microbiología como ciencia biológica. [19] Uno de sus alumnos, Adrien Certes, es considerado el fundador de la microbiología marina. [20] Pasteur también diseñó métodos para la conservación de alimentos ( pasteurización ) y vacunas contra varias enfermedades como el ántrax , el cólera aviar y la rabia . [2] Koch es mejor conocido por sus contribuciones a la teoría de los gérmenes de las enfermedades , demostrando que enfermedades específicas fueron causadas por microorganismos patógenos específicos. Desarrolló una serie de criterios que han pasado a conocerse como los postulados de Koch . Koch fue uno de los primeros científicos en centrarse en el aislamiento de bacterias en cultivo puro , lo que dio lugar a la descripción de varias bacterias nuevas, incluida Mycobacterium tuberculosis , el agente causante de la tuberculosis . [2]
Si bien a Pasteur y Koch se les suele considerar los fundadores de la microbiología, su trabajo no refleja con precisión la verdadera diversidad del mundo microbiano debido a su enfoque exclusivo en microorganismos que tienen relevancia médica directa. No fue hasta finales del siglo XIX y el trabajo de Martinus Beijerinck y Sergei Winogradsky que se reveló la verdadera amplitud de la microbiología. [2] Beijerinck hizo dos contribuciones importantes a la microbiología: el descubrimiento de virus y el desarrollo de técnicas de cultivo de enriquecimiento . [21] Si bien su trabajo sobre el virus del mosaico del tabaco estableció los principios básicos de la virología, fue su desarrollo del cultivo de enriquecimiento el que tuvo el impacto más inmediato en la microbiología al permitir el cultivo de una amplia gama de microbios con fisiologías tremendamente diferentes. Winogradsky fue el primero en desarrollar el concepto de quimiolitotrofia y revelar así el papel esencial que desempeñan los microorganismos en los procesos geoquímicos. [22] Fue responsable del primer aislamiento y descripción de bacterias nitrificantes y fijadoras de nitrógeno . [2] El microbiólogo franco-canadiense Felix d'Herelle co-descubrió los bacteriófagos en 1917 y fue uno de los primeros microbiólogos aplicados. [23]
Joseph Lister fue el primero en utilizar desinfectante con fenol en las heridas abiertas de los pacientes. [24]
Las ramas de la microbiología pueden clasificarse en ciencias aplicadas, o dividirse según taxonomía, como es el caso de la bacteriología , la micología , la protozoología , la virología , la ficología y la ecología microbiana . Existe una superposición considerable entre las ramas específicas de la microbiología entre sí y con otras disciplinas, y ciertos aspectos de estas ramas pueden extenderse más allá del alcance tradicional de la microbiología [25] [26] Una rama de investigación pura de la microbiología se denomina microbiología celular .
Si bien algunas personas temen a los microbios debido a la asociación de algunos microbios con diversas enfermedades humanas, muchos microbios también son responsables de numerosos procesos beneficiosos, como la fermentación industrial (por ejemplo, la producción de alcohol , vinagre y productos lácteos ), la producción de antibióticos y actúan como Vehículos moleculares para transferir ADN a organismos complejos como plantas y animales. Los científicos también han explotado su conocimiento sobre los microbios para producir enzimas biotecnológicamente importantes como la Taq polimerasa , [27] genes informadores para su uso en otros sistemas genéticos y nuevas técnicas de biología molecular como el sistema de dos híbridos de levadura . [28]
Las bacterias se pueden utilizar para la producción industrial de aminoácidos . Los ácidos orgánicos , las vitaminas , las proteínas , los antibióticos y otros metabolitos de uso comercial son producidos por microorganismos. Corynebacterium glutamicum es una de las especies bacterianas más importantes con una producción anual de más de dos millones de toneladas de aminoácidos, principalmente L-glutamato y L-lisina. [29] Dado que algunas bacterias tienen la capacidad de sintetizar antibióticos, se utilizan con fines medicinales, como Streptomyces para producir antibióticos aminoglucósidos . [30]
Los microorganismos producen una variedad de biopolímeros , como polisacáridos , poliésteres y poliamidas . Los microorganismos se utilizan para la producción biotecnológica de biopolímeros con propiedades personalizadas adecuadas para aplicaciones médicas de alto valor, como la ingeniería de tejidos y la administración de fármacos. Los microorganismos se utilizan, por ejemplo, para la biosíntesis de xantano , alginato , celulosa , cianoficina , poli(ácido gamma-glutámico), levano , ácido hialurónico , ácidos orgánicos, oligosacáridos , polisacáridos y polihidroxialcanoatos. [31]
Los microorganismos son beneficiosos para la biodegradación microbiana o la biorremediación de desechos domésticos, agrícolas e industriales y la contaminación del subsuelo en suelos, sedimentos y ambientes marinos. La capacidad de cada microorganismo para degradar residuos tóxicos depende de la naturaleza de cada contaminante . Dado que los sitios suelen tener múltiples tipos de contaminantes, el enfoque más eficaz para la biodegradación microbiana es utilizar una mezcla de especies y cepas de bacterias y hongos, cada una específica para la biodegradación de uno o más tipos de contaminantes. [32]
Las comunidades microbianas simbióticas confieren beneficios a la salud de sus huéspedes humanos y animales, incluida la ayuda a la digestión, la producción de vitaminas y aminoácidos beneficiosos y la supresión de microbios patógenos. Se pueden conferir algunos beneficios al comer alimentos fermentados, probióticos (bacterias potencialmente beneficiosas para el sistema digestivo) o prebióticos (sustancias consumidas para promover el crecimiento de microorganismos probióticos). [33] [34] Las formas en que el microbioma influye en la salud humana y animal, así como los métodos para influir en el microbioma, son áreas activas de investigación. [35]
Las investigaciones han sugerido que los microorganismos podrían ser útiles en el tratamiento del cáncer . Varias cepas de clostridios no patógenos pueden infiltrarse y replicarse dentro de tumores sólidos . Los vectores clostridiales se pueden administrar de forma segura y su potencial para administrar proteínas terapéuticas se ha demostrado en diversos modelos preclínicos. [36]
Algunas bacterias se utilizan para estudiar mecanismos fundamentales. Un ejemplo de bacteria modelo utilizada para estudiar la motilidad [37] o la producción de polisacáridos y el desarrollo es Myxococcus xanthus . [38]
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