CAPÍTULO IBacteria

Las bacterias son microorganismos unicelulares que presentan un tamaño de algunos micrómetros de largo (entre 0,5 y 5 μm, por lo general) y diversas formas incluyendo esferas, barras y hélices. Las bacterias son procariotas y, por lo tanto, a diferencia de las células eucariotas (de animales, plantas, etc.), no tienen núcleo ni orgánulos internos. Generalmente poseen una pared celular compuesta de peptidoglicano. Muchas bacterias disponen de flagelos o de otros sistemas de desplazamiento y son móviles. Del estudio de las bacterias se encarga la bacteriología, una rama de la microbiología.

Escherichia coli aumentada 25.000 veces.

Las bacterias son los organismos más abundantes del planeta. Son ubicuas, encontrándose en todo hábitat de la tierra, creciendo en el suelo, en manantiales calientes y ácidos, en desechos radioactivos, en las profundidades del mar y de la corteza terrestre. Algunas bacterias pueden incluso sobrevivir en las condiciones extremas del espacio exterior. Se estima que hay en torno a 40 millones de células bacterianas en un gramo de tierra y un millón de células bacterianas en un mililitro de agua dulce. En total, se calcula que hay aproximadamente 5×1030 bacterias en el mundo. Las bacterias son imprescindibles para el reciclaje de los elementos, pues muchos pasos importantes de los ciclos biogeoquímicos dependen de éstas. Como ejemplo cabe citar la fijación del nitrógeno atmosférico. Sin embargo, solamente la mitad de los filos conocidos de bacterias tienen especies que se pueden cultivar en el laboratorio, por lo que una gran parte (se supone que cerca del 90%) de las especies de bacterias existentes todavía no ha sido descrita.En el cuerpo humano hay aproximadamente diez veces tantas células bacterianas como células humanas, con una gran cantidad de bacterias en la piel y en el tracto digestivo. Aunque el efecto protector del sistema inmune hace que la gran mayoría de estas bacterias sea inofensiva o beneficiosa, algunas bacterias patógenas pueden causar enfermedades infecciosas, incluyendo cólera, sífilis, lepra, tifus, difteria, escarlatina, etc. Las enfermedades bacterianas mortales más comunes son las infecciones respiratorias, con una mortalidad sólo para la tuberculosis de cerca de dos millones de personas al año

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Reseña Histórica

Las primeras bacterias fueron observadas por Anton van Leeuwenhoek en 1683 usando un microscopio de lente simple diseñado por él mismo.Inicialmente las denominó animalículos y publicó sus observaciones en una serie de cartas que envió a la Royal Society. El nombre de bacteria fue introducido más tarde, en 1828, por Ehrenberg. Deriva del griego βακτήριον -α, bacterion -a, que significa bastón pequeño.

Enfermos de cólera.

Louis Pasteur demostró en 1859 que los procesos de fermentación eran causados por el crecimiento de microorganismos, y que dicho crecimiento no era debido a la generación espontánea, como se suponía hasta entonces. (Ni las levaduras, ni los mohos, ni los hongos, organismos normalmente asociados a estos procesos de fermentación, son bacterias). Pasteur, al igual que su contemporáneo y colega Robert Koch, fue uno de los primeros defensores de la teoría germinal de las enfermedades infecciosas. Robert Koch fue pionero en la microbiología médica, trabajando con diferentes enfermedades infecciosas, como el cólera, el ántrax y la tuberculosis. Koch logró probar la teoría germinal de las enfermedades infecciosas tras sus investigaciones en tuberculosis, siendo por ello galardonado con el premio Nobel en Medicina y Fisiología, en el año 1905. Estableció lo que se ha denominado desde entonces los postulados de Koch, mediante los cuales se estandarizaban una serie de criterios experimentales para demostrar si un organismo era o no el causante de una determinada enfermedad. Estos postulados se siguen utilizando hoy en día.Aunque a finales del siglo XIX ya se sabía que las bacterias eran causa de multitud de enfermedades, no existían tratamientos antibacterianos para combatirlas. Fue ya en 1910 cuando Paul Ehrlich desarrolló el primer antibiótico, por medio de unos colorantes capaces de teñir y matar selectivamente a las espiroquetas de la especie Treponema pallidum, la bacteria causante de la sífilis. Erlich recibió el premio Nobel en 1908 por sus trabajos en el campo de la inmunología y por ser pionero en el uso de tintes y colorantes para detectar e identificar bacterias, base fundamental de las posteriores tinción de Gram y tinción de Ziehl Neelsen.Un gran avance en el estudio de las bacterias fue el descubrimiento realizado por Carl Woese en 1977, de que las arqueas presentan una línea evolutiva diferente a la de las bacterias. Esta nueva taxonomía filogenética se basaba en la secuenciación del ARN ribosómico 16S y dividía

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a los procariotas en dos grupos evolutivos diferentes, en un sistema de tres dominios: Arquea, Bacteria y Eukarya.

Árbol filogenético de los seres vivos obtenido a partir de genomas completamente secuenciados. El dominio Bacteria presenta una gran diversidad en comparación con los otros dominios, Archaea y Eukarya. Los árboles

moleculares colocan a Archaea y Eukarya más próximos entre sí que a Bacteria

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CAPÍTULO II.Tamaño, morfología y agrupaciones celulares

Tamaño de las bacterias

El tamaño es un parámetro que está determinado genéticamente, pero los valores concretos para cada raza o cepa de bacterias vienen influenciados por una serie de condiciones ambientales (nutrientes, sales, temperatura, tensión superficial, etc). Las bacterias suelen presentar un tamaño pequeño, por lo general menor que el de una célula eucariótica típica.  Sin embargo, existe un amplio rango de tamaños, según las especies. El tamaño microscópico de las bacterias está determinado genéticamente. La unidad de medida bacteriana es el micrómetro (µm), que equivale a 1/1000 milímetros (10-3mm = 1 micrómetro). Para darse una idea de su tamaño se calcula que en un centímetro cúbico cabe alrededor de un millón de billones de bacilos de tamaño medio.Algunas especies poseen dimensiones típicamente asociadas a las bacteriaas, como por ejemplo Bacillus megaterium (1.3 x 3 mm) y Escherichia coli (0,5 x 2 mm). Pero las hay de mayor y menor tamaño a estas.Una bacteria grande es Beggiatoa gigantea, con un tamaño similar al de muchas células eucarióticas (40 mm). Pero, los auténticos “gigantes” entre las bacterias se han descubierto hace poco:

En 1993 se descubrió una bacteria que mide 0,5 mm de longitud. Se trata de Epulopiscium, un comensal del intestino del pez cirujano.En 1999 se descubrió en un lago de Namibia una bacteria (a la que se bautizó como Thiomargarita) que alcanza los 700 mm.

La especie Epulopiscium consiste de bacterias grandes y simbióticas que se encuentran dentro de los tractos intestinales de algunas especies de peces cirujanos tropicales (Familia Acanthuridae). Estas bacterias son importantes en la digestión de la comida digerida por el pez huésped y tienden a ser asociadas con especies de peces cirujanos que comen primariamente alga o detritus. Las células más grandes de Epuloiscium pueden llegar a longitudes de 600 µm (0.6 mm) o más. Estas bacterias fueron descubiertos por un grupo de biólogos que estudiaban los peces cirujanos marrones (Acanthurus nigrofuscus) del Mar Rojo. Su trabajo caracterizo la asociación simbiótica y examino un poco sobre la biología rara de estas bacterias excepcionales.

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Rango de tamaños de las células procariotas en relación a otros organismos

y biomoléculas.

En un reportaje consecuente, los simbiontes intestinales de peces cirujanos marrones fueron llamados Epulopiscium fishelsoni. Epulopiscium·significa·invitado al banquete de un pez. Los autores también describieron en detalle un modo extraño de la reproducción celular de E. fishelsoni en cual varios vástagos son formados adentro de la célula madre.Thiomargarita namibiensis ("perla sulfurosa de Namibia") es una proteobacteria gram-negativa. Esta especie fue descubierta por Heide H. Schulz et al. en 1999, en la costa de Namibia.En 2005 se descubrió una especie muy cercana en el Golfo de México, planteándose a sí la posibilidad de que la Thiomargarita esté mucho más difundida de lo que se pensaba anteriormente.

Es una bacteria quimiolitotrófica, y es capaz de usar el anión nitrato como aceptor electrónico terminal en la cadena de transporte electrónico. Ya que la bacteria es sésil, y la concentración de nitrato varía considerablemente con el tiempo, es capaz de almacenar altas concentraciones (hasta 10.000 veces más) de nitrato en una inmensa vacuola, la cual es responsable del 98% de su tamaño. Cuando las concentraciones de nitrato en el medio exterior son bajas, esta bacteria usa el nitrato contenido en su vacuola para poder seguir respirando. Una investigación reciente ha mostrado que la bacteria podría ser anaerobia facultativa, más que anaerobia obligatoriamente, y por tanto ser capaz de respirar oxígeno si está disponible.

Otra adaptación poco común es su patrón de división reductiva. Bajo condiciones de estrés, como la inanición, dicha bacteria es capaz de reproducirse, pero de forma que se parta la célula manteniendo el volumen total constante. Este patrón de comportamiento podría deberse a su gran tamaño.Una bacteria relativamente pequeña es Haemophilus influenzae, que mide 0.25 x 1.2 mm, es un cocobacilo gramnegativo no móvil descrito en 1892 por Richard Pfeiffer durante una pandemia de gripe. Es generalmente aerobio pero puede crecer como anaerobio facultativo. H. influenzae fue considerado erróneamente como la causa de la gripe común hasta 1933, cuando la etiología viral de la gripe llegó a ser aparente. Sin embargo, H. influenzae es responsable de un amplio rango de enfermedades. Debido a su pequeño genoma, H. influenzae fue el primer organismo de vida libre cuyo genoma completo fue secuenciado. Su genoma consiste de 1.830.140 pares de bases y contiene 1.740 genes.Los organismos celulares cultivables más pequeños que existen son los micoplasmas, muchos de los cuales no superan los 0.2 mm de diámetro y las nanobacterias o ultramicrobacterias miden en torno a 0.05 mm, pero la mayoría no se han podido cultivar, y sólo se pueden estudiar al microscopio.

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Micrografía electrónica de Epulopiscium fishelsoni (coloreada artificialmente)

Micrografía electrónica de filamento de Thiomargarita namibiensis

Consecuencias del tamaño pequeño de las bacterias

El pequeño tamaño de las bacterias conlleva consecuencias de tipo metodológico o de estudio y consecuencias por efecto en sus propiedades físicas y químicas.

Consecuencias Metodológicas: Debido a su pequeño tamaño, se necesita recurrir a microscopios para su visualización, y emplear técnicas especiales de tinción Para sacar conclusiones sobre muchas características de las bacterias hay que hacer estudios “promediados”, es decir, obtenidos a partir de una gran población de células, y no sobre un solo individuo. (El estudio de células bacterianas aisladas es posible, pero es complicado y no se emplea en la mayor parte de la investigación habitual sobre procariotas).

Propiedades físicas: se derivan del comportamiento como partículas coloidales y son:Movimiento browniano (movimiento aleatorio derivado del empuje de moléculas de agua alrededor de la bacteria);Capacidad de dispersar la luz (el llamado efecto Tyndall). Por esta razón, las suspensiones acuosas relativamente densas de bacterias tienen una apariencia “turbia” (traslúcida);Aumento de la viscosidad del medio donde van suspendidas.Por tener carga eléctrica: migran en un campo eléctrico y aglutinan y precipitan a altas concentraciones de sales.

Propiedades biológicas:La relación superficie/volumen (S/V) es muy alta. En efecto, supongamos una célula esférica; en dicha célula, la relación S/V es 3/r, (la superficie de una esfera es 4πr2 mientras que su volumen es 4/3πr3). O sea, cuanto menor sea el radio (r) mayor será esta relación. Esto significa que el pequeño tamaño de las bacterias condiciona un mayor contacto directo con el medio ambiente inmediato que las rodea, lo que se traduce en que reciben las influencias ambientales de forma inmediata. El pequeño tamaño condiciona una alta tasa de crecimiento. La velocidad de entrada de nutrientes y la de salida de productos de desecho es inversamente proporcional al tamaño de la célula, y a su vez, estas tasas de transporte afectan directamente a la tasa metabólica. Por lo tanto, en general, las bacterias crecen (se multiplican) de forma rápida.

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¿Por qué son pequeños los procariotas?

Limites teoréticos Koch observó que el tamaño celular de los procariotas más pequeños, en realidad, es mucho mayor que el necesario para albergar a sus componentes celulares. Es decir, estas células tienen espacio suficiente como para incluir todo su ácido nucleico, proteínas, complejos moleculares y demás elementos requeridos para su supervivencia y proliferación.El tamaño mínimo (estimado) para contener los elementos vitales de una célula procariota de vida libre, estaría representado por una esfera de 250 a 300 nm de diámetro; tamaño muy cercano al exhibido por las bacterias más pequeñas que típicamente habitan ambientes oligotróficos oceánicos; las cuales, son pequeñas células de formas bacilares o cocoides con un diámetro de entre 300 a 500 nm.

Relación superficie/volumenEl argumento típico de porque los procariotas son pequeños, es que su tasa de transporte de nutrientes al interior celular está en función de la cantidad de área de superficie expuesta al medio circundante. Sin embargo, no es el área superficial per-se la que es importante, sino el hecho de que la célula pueda insertar un gran número de complejos de transporte de nutrientes que lleven nutrientes al citoplasma. Así, es la necesidad de difusión la que crea una fuerte tendencia a generar formas celulares pequeñas, lo que aumenta la relación superficie/volumen y disminuye la cantidad de citoplasma que tiene que ser mantenido o suplementado por un transportador.

La esfera de difusiónEl “problema” nutricional de una célula es complicado por la existencia de la llamada “esfera de difusión” o “Envoltura Reynolds”, que se agrega a las dimensiones efectivas de las células y que forma una barrera de difusión alrededor de la misma.La esfera de difusión puede ser una gruesa o delgada capa de líquido externo adherido a la superficie de la célula, rodeándola y viajando con la bacteria, y a través del cual los nutrientes y los desechos deben de pasar.La existencia y dimensiones de esta esfera no son afectadas ni por las condiciones más turbulentas de los cuerpos de agua natural. Por lo que, esta capa suele considerarse como el área superficial en contacto con nutrientes concentrados en el medio externo. La forme de esta área es similar a la misma forma celular y es perfectamente simétrica en los cocos y bacilos rectos. Sin embargo, la capa de difusión de una célula espiralada es menos “espiralada” que el cuerpo celular, debido a que algunas zonas de la esfera de difusión se superponen. La forma en que esta esfera rodea a la célula es distintiva y puede darse de diversas maneras y potencialmente afectar su acceso a los nutrientes. Por ejemplo, si un bacilo recto y un espirilo tienen esferas de difusión equivalentes, la célula en espiral podrá adquirir más nutrientes porque tiene una mayor área de superficie en la que se insertan transportadores.

Mezcla intracelularNo solo la difusión afecta el tamaño celular al determinar la tasa con la cual dicha célula adquiere nutrientes, la difusión también afecta el tamaño celular al limitar la tasa con la cual las proteínas y los nutrientes entran en contacto unos con otros en el citoplasma celular.

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Beveridge calculó que en un típico bacilo bacteriano (0,8 x 4,8 µm), a una proteína de 50 kDa puede tomarle unos 0,5 s para migrar desde un lado de la pared celular hasta el centro de la célula (una distancia de 0,4 µm) o podría necesitar cerca de 5 s para migrar de un polo al otro. Schulz y Jorgensen han calculado tiempos relativamente similares a los ya mensionados para el llamado “tiempo de tráfico interno” de las moléculas. Han calculado que en un coco que posee 1 µm de diámetro, a las moléculas pequeñas les toma cerca de 1 milisegundo reaparecer, con igual probabilidad, en cualquier lugar de la célula; mientras que, a las grandes proteínas les toma cerca de 10 milisegundos. Estos tiempos de hecho serán diferentes para cada tipo de célula, tanto por su forma como por sus dimensiones. Todo esto también generará límites particulares para las reacciones bioquímicas que en ellas se lleven a cabo

Formas bacterianas

Se podría esperar que organismos pequeños, relativamente simples como las bacterias, fuesen uniformes en cuanto a forma y tamaño. Aun que es cierto que muchas bacterias tienen morfología similar, existen importantes variaciones. La forma de las bacterias es muy variada y, a menudo, una misma especie adopta distintos tipos morfológicos, lo que se conoce como pleomorfismo.

Representación gráfica a escala de la Diversidad de formas procarióticas

La figura contiene la variedad de formas procarióticas que podemos encontrar. Este collage de diferentes formas celulares, ha sido establecido a partir de descripciones e ilustraciones realizadas por Starr et al. (1981) o por Zinder and Dworkin (2001). Las células se encuentran a escala. Aquellas rodeadas por el círculo de color negro correspondes al grupo de 5µm. Estas

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células también están incluidas en el circulo de punteado celeste, para que comparen su tamaño con otras más grandes que corresponden a la línea de los 10 µm. (A) Stella cepa IFAM1312; (B) Microcyclus (género que a sido renominado como Ancylobacter) flavus; (C) Bifidobacterium bifidum; (D) Clostridium cocleatum; (E) Aquaspirillum autotrophicum; (F) Pyroditium abyssi; (G) Escherichia coli; (H) Bifidobacterium sp.; (I) sección transversal de la bacteria asociada a la podredumbre de raíz de caña soca; (J) Planctomyces sp.; (K) Nocardia opaca; (L) Cadena de bacteria asociada a la raíz de caña soca; (M) Caulobacter sp.; (N) Spirochaeta halophila; (O) Prosthecobacter fusiformis; (P) Methanogenium cariaci; (Q) Ciclo de crecimiento de Arthrobacter globiformis; (R) Alphaproteobacteria de esponjas marinas; (S) Ancalomicrobium sp.; (T) Nevskia ramosa (133); (U) Rhodomicrobium vanniellii; (V) Streptomyces sp.; (W) Caryophanon latum; (X) Calothrix sp. La línea amarilla y el espacio por debajo de ella, representa una pieza de la bacteria gigante Thiomargarita namibiensis que está representada a escala con los otros organismos.Pero de todas las formas que podemos hallar entre las bacterias, podemos distinguir dos tipos fundamentales de bacterias:

Oval o esférica (cocos) Cilíndrica o de bastón (bacilos)

COCOS (del griego kókkos, grano)Los cocos son células casi esféricas. Pueden existir como células individuales, pero se asocian también en agrupaciones características que son útiles frecuentemente para identificar a las bacterias. Las bacterias esféricas son las más homogéneas con respecto al tamaño, presentando un diámetro medio de 0,6 a 1,0 μm. La forma no siempre es exactamente esférica, observándose como más comunes las siguientes variaciones:

Formas lanceoladas. Formas en grano de café. Formas cocobacilares (achatadas)

Las diferencias entre los subtipos de cocos se basan en los agrupamientos celulares. Estos aparecen como consecuencia de dos factores: el plano o planos de división celular y la tendencia de las células hijas a permanecer unidas entre sí, una vez que se completa la división. Los cocos que se separan completamente después de la división aparecen individualmente, y a esta forma se le llama coco. Cuando hay una ligera tendencia a que las células hijas permanezcan unidas y la división celular ocurre en un solo plano, los cocos se agrupan predominantemente en pares, llamados diplococos. Si la unión es más marcada, se ven largas cadenas de cuatro cocos o más; estos agrupamientos se conocen como estreptococos. Cuando los cocos se dividen en varios planos, y hay una elevada tendencia a que permanezcan unidos, aparecen racimos irregulares de cocos, semejantes a racimos de uvas; estos agrupamientos se denominan estafilococos. Sin embargo, la separación de subtipos morfológicos no es absolutamente nítida, y en una misma colonia pueden observarse cadenas o racimos junto con formas aisladas o en parejas. A

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Agrupaciones de cocos bacterianos

pesar de todo esto, los grupos morfológicos tienen mucho valor práctico en la identificación y clasificación de cocos.

BACILOS (del latín baculus, varilla)La otra forma más común bacteriana es el bastoncillo, denominado bacilo. Las formas alargadas o bacilares agrupan una gran cantidad de subtipos morfológicos. Las diferencias en anchura, longitud y forma de los extremos de la célula proporcionan una considerable heterogeneidad a la forma bacilar.

Los bacilos varían considerablemente entre la proporción de longitud y diámetro, siendo los cocobacilos tan cortos y anchos que parecen cocos. .La forma del extremo del bacilo varía a menudo entre especies; puede ser plana, redondeada, en forma de puro o bifurcada. Aunque muchos bacilos aparecen aislados, pueden permanecer juntos después de dividirse, formando parejas o diplobacilos, formar cadenas a las que se denomina estreptobacilo o bacilo en empalizada (/////), en V (<<<) o en letras chinas.

Todo ello en función de la tendencia de las células hijas a permanecer. Aunque son hasta cierto punto característicos, los agrupamientos de células bacilares no tienen la misma importancia morfológica que el agrupamiento de cocos.

OTRAS FORMAS Aparte de estas formas más frecuentes, las bacterias pueden adquirir una gran variedad de formas.

Vibrios: bacterias en forma de bastoncillos, curvados, con forma de coma o de espiral incompleta. Proyectada su imagen sobre el plano tienen forma de coma, pero en el espacio suelen corresponder a una forma espiral con menos de una vuelta de héliceActinomicetos: largos filamentos multinucleados característicos o hifas, que pueden ramificarse para constituir una red denominada micelio. Espirilos: al igual que los bacilos, tienen un eje más largo que otro, pero dicho eje no es recto, sino que sigue una forma de espiral, con una o más de una vuelta de hélice rígidos.Espiroquetas: Forma de bacilos largos retorcidos como espirales o hélices flexibles. Con yema: de forma ovalada a pera que produce una yema al final de una larga hifa. Con pedúnculos: Forma bacilar que tiene prolongaciones en forma de rabillo o chichón. Pleomórficas: bacterias que tienen formas variables, aunque generalmente tienen forma bacilar. Algunas especies presentan incluso formas tetraédricas o cúbicas.

Esta amplia variedad de formas es determinada en última instancia por la composición de la pared celular y el citoesqueleto, siendo de vital importancia, ya que puede influir en la capacidad de la bacteria para adquirir nutrientes, unirse a superficies o moverse en presencia de estímulos.

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Agrupaciones de bacilos bacterianos

Estos distintos tipos de morfologías celulares deben de haberse originado por mecanismos evolutivos, a saber, por selección y estabilización adaptativa frente a las distintas presiones ambientales presentes en diferentes nichos ecológicos.

Otras formas celulares que pueden presentar las bacterias

Relaciones entre tamaño y forma

Difusión citoplásmica: Este aspecto ya lo hemos ilustrado con una bacteria típica de forma vacilar, en la cual una proteína de unos 50 kDa difundiría desde la periferia del citoplasma al eje longitudinal en menos de medio segundo, mientras que si difundiera desde un polo de la célula al opuesto, tardaría unos 5 segundos. Como vemos, el tiempo de difusión es muy breve.

Difusión desde el medio exterior: el entorno inmediato de las bacterias es bastante peculiar, debido al bajo valor de número de Reynolds que poseen.El número de Reynolds (R) es un parámetro muy empleado en Ingeniería y Arquitectura para expresar la tensión o estrés que soporta una estructura determinada inmersa en el medio local que la sustenta. R equivale a la relación entre la fuerza de inercia y fuerza de fricción. Teniendo en cuenta la masa y velocidad de movimiento de una bacteria como E. coli: m = 10 -12 g y v = 30 mm/sTenemos que el valor R para esta bacteria es de 10 -5. De aquí se deduce que la inercia es irrelevante, mientras que predominan las fuerzas viscosas. Por lo tanto, las bacterias llevan, en su avance, un entorno local debido a la resistencia por viscosidad. Este entorno es una fase fluida cuya forma reproduce, ampliada, la forma de la bacteria en cuestión. Mejora en las propiedades hidrodinámicas o de flotación: Es posible que la forma también tenga relación con propiedades hidrodinámicas. Por ejemplo, las bacterias móviles raramente son esféricas; la forma óptima sería aquí la bacilar. De hecho, existen pocos casos de cocos flagelados.Para el grupo de bacterias alargadas pero con morfología espiral y que están muy bien adaptadas a avanzar en medios muy viscosos, su morfología ha debido ser seleccionada evolutivamente precisamente por este factor ecológico.Por otro lado, las formas con prostecas, prolongaciones, las morfologías en disco o en lámina parecen estar especializadas en facilitar la flotación.

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Las bacterias adoptan formas en las que optimizan la relación S/V, y por consiguiente su entorno local. Veamos algunos ejemplos de valores S/V:

los menores valores los poseen las bacterias esféricas (cocos), en las que S/V es de 5.8. La forma esférica permite una mayor resistencia frente a la desecación;los bacilos alcanzan valores de S/V de alrededor de 10;las formas espirales y las bacterias con prolongaciones vivas (prostecas) tienen valores mayores que los de los bacilos;la mejor relación S/V conocida (de 16) la posee la curiosa bacteria cuadrada de Walsby

Otras formaciones especialesBiopelículasLas bacterias presentan la capacidad de anclarse a determinadas superficies y formar un agregado celular en forma de capa denominado biopelícula o biofilme, los cuales pueden tener un grosor que va desde unos pocos micrómetros hasta medio metro. Estas biopelículas pueden congregar diversas especies bacterianas, además de protistas y arqueas, y se caracterizan por formar un conglomerado de células y componentes extracelulares, alcanzando así un nivel mayor de organización o estructura secundaria denominada microcolonia, a través de la cual existen multitud de canales que facilitan la difusión de nutrientes. En ambientes naturales tales como el suelo o la superficie de las plantas, la mayor parte de las bacterias se encuentran ancladas a las superficies en forma de biopelículas. Dichas biopelículas deben ser tenidas en cuenta en las infecciones bacterianas crónicas y en los implantes médicos, ya que las bacterias que forman estas estructuras son mucho más difíciles de erradicar que las bacterias individuales. La formación de los biofilm pasa por cinco etapas que son ilustradas en la figura siguiente.

Etapas de la formación de biopelículas bacterianas

Cuerpos fructíferosCabe destacar un tipo de morfología más compleja aún, observable en algunos microorganismos del grupo de las mixobacterias. Cuando estas bacterias se encuentran en un medio escaso en aminoácidos son capaces de detectar a las células de alrededor, en un proceso conocido como “quorum sensing”, en el cual todas las células migran hacia las demás y se

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Matriz extracelular

Montículo Agregación

Cuerpo fructífero

Mixospora

Germinación

Hambruna

Formación de ondas

CICLO DE DESARROLLO

Ciclo de crecimiento vegetativo y dispersión

agregan, dando lugar a cuerpos fructíferos que pueden alcanzar los 0,5 mm de longitud y contener unas 100.000 células. Una vez formada dicha estructura las bacterias son capaces de llevar a cabo diferentes funciones, es decir, se diferencian, alcanzando así un cierto nivel de organización pluricelular. Por ejemplo, entre una y diez células migran a la parte superior del cuerpo fructífero y, una vez allí, se diferencian para dar lugar a un tipo de células latentes denominadas mixosporas, las cuales son más resistentes a la desecación y, en general, a condiciones ambientales adversas

Formación de cuerpo fructífero en Mixobacterias

Generación y mantenimiento de la forma celular

La forma en que las células generan y mantienen una forma definida es uno de los problemas fundamentales desde las bacterias a los humanos. El citoesqueleto eucariota, que consiste de microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermediarios, es el que determina las diversas formas celulares de los organismos superiores. Sin embargo, para el caso de las bacterias aún se conoce muy poco sobre los mecanismos moleculares involucrados en la determinación de su forma celular. En algunas bacterias que carecen de pared celular, como es el caso de Spiroplasma, un citoesqueleto poco desarrollado está involucrado en su motilidad y en la deformación de su forma celular. Pero, Spiroplasma al igual que otros mollicutes son bacterias inusuales por su característica de carecer de una pared celular rígida y por sólo estar rodeados de una membrana citoplasmática que contiene colesterol, un raro componente en los procariotas. En la mayoría de las bacterias, el mantenimiento de la forma celular requiere de la

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integridad de la pared extracelular cuya rigidez y fuerza le son primariamente conferidas por un polímero de glucopeptidos unidos por puentes cruzados conocido como peptidoglicano o mureina. La degradación de este elemento con lisozima, resulta en alteraciones en la forma de la célula bacteriana que lo contiene.Debido a esto y al hecho de carecer de filamentos intracelulares definidos, por décadas llevaron a que se asuma que era la pared celular la responsable absoluta de la forma de las bacterias. Sin embargo, estudios en Escherichia coli y en Bacillus subtilis han demostrado la existencia de una proteína denominada como MreB cuya secuencia de aminoácidos es similar al de la actina; esta proteína es esencial en la determinación de la forma bacilar y su desintegración induce la formación de células con formas redondeadas e infladas. MreB no solo es similar a la actina en su composición sino que también y al igual que ella se ensambla en proto-filamentos con una unidad repetitiva similar al de la actina-F, lo que evidencia que MreB y la actina-F provienen de un antecesor procariotico común. En E. coli y en B. subtilis, los filamentos de MreB forman estructuras filamentosas helicoidales que se enrollan en círculos alrededor del citoplasma y justo por debajo de la membrana celular. Evidencias recientes sugieren una asociación entre la biosíntesis del peptidoglicano y el citoesqueleto bacteriano tipo actina. MerB se encuentra ampliamente distribuida entre las bacterias con formas alargadas, tanto grampositivas como gramnegativas e incluso en algunos mollicutes y arqueas; pero está ausente en todas las bacterias con morfología esférica. Debido a que la forma celular ha sido ampliamente estudiada solo en especies de forma bacilar, aún permanece incierta la manera en que bacterias con otra morfología, generan y mantiene su forma. En B. subtilis se ha determinado la presencia de tres isoformas de esta proteína: MerB, Mbl y MerBH que se postula que si bien las tres forman estructuras helicoidales similares, estas tendrían diferentes configuraciones. Estudios de colocalización han mostrado que las tres isoformas MerB de esta bacteria, están de hecho muy próximas y conforman un solo aparato de estructura helicoidal en el cual los filamentos de Mbl se extienden de polo a polo y en cambio los de MreB no. Asimismo, se ha determinado que el movimiento axial de la espira de Mbl es mucho más amplio que el de MreB; por lo cual se ha deducido que los filamentos MreB controlan el ancho y los filamentos Mbl controla el eje longitudinal de la célula. Asimismo, se ha sugerido que la participación o función de los filamentos MerBH sería facilitar la inserción de elementos estructurales de la pared celular naciente. Investigaciones con la bacteria helicoidal Caulobacter crescentus, han determinado la existencia en ella de la proteína MerB, pero también la presencia de un elemento fibrosos de su citoesqueleto necesario para generar la forma vibrioide o espiral de esta bacteria. Esta proteína de citoesqueleto ha sido nominada como crescentina (CreS) y es la responsable de generar la curvatura celular al formar filamentos intracelulares similares a los filamentos intermedios en uno de los lados de la célula.

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Comparación de la estructura tridimensional de los protofilamentos de

Actina-F y MerB

Micrografías con contraste de faces de células de Caulobacter crescentus salvajes (A), mutantes sin creS (B) y mutantes con reinserción del gen creS (C). Nótese la curvatura típica de esta bacteria en A y C y la alteración de

su morfología en C al faltarle la proteína CreS.

Efecto de la difusión en la forma celular

Si la difusión y la extracción de nutrientes son elementos claves para la determinación del tamaño y la forma celular, la forma más eficiente para el copio de nutrientes debería maximizar la relación superficie-volumen. Por lo tanto, si una célula tiende a la esfericidad, esta podría tender a ser la esfera más pequeña posible, ya que disminuyendo su tamaño, incrementa su relación S/V. Sin embargo, aunque “las células esféricas poseen la mejor forma posible para una eficiente adquisición de nutrientes”, uno podría esperar que la naturaleza favoreciera a las formas bacilares cuya relaciones S/V son mucho mayores que de los cocos con igual volumen. Además, las células de forma bacilar se alargan sin aumentar su ancho y así no cambian mucho su valor S/V. Si ambas características se incrementan linealmente, la relación S/V sufre cambios muy pequeños; lo cual explicaría porque muchas bacterias producen filamentos en respuesta a cambios nutricionales de su medio ambiente. Esta ventaja de la filamentación puede estar entre las razones fundamentales para que las células mantengan de manera constante su diámetro.El problema es que, si maximizar la relación S/V fuese un principio importante que gobierna la morfología de las bacterias, las formas celulares más delgadas, planas, en forma de disco serían la mejor alternativa: Sin embargo, con la excepción de las haloarqueas, las bacterias planas son realmente escasas.

Variaciones MorfológicasMicrobiólogos ambientales han hecho exhaustivas apreciaciones de que la morfología bacteriana varía con la tasa de crecimiento y con las condiciones nutricionales. Desafortunadamente, en ninguna de sus apreciaciones señalan si la forma por sí misma es benéfica para estas situaciones; esto debido a que pocos son los experimentos realizados con tal fin. Sin embargo, alguna importancia debe de tener ya que numerosas bacterias rutinariamente alteran su morfología en respuesta al tipo y concentración de compuestos externos.

Variación con la tasa de crecimientoEn el clásico trabajo de Schaechter y sus colaboradores, en el cual Salmonella entérica serovar typhimurium produce células que son más anchas cuando se le incuba en un medio de cultivo enrriquecido que cuando crece en un medio mínimo, y tiene un crecimiento lento con células más cortas que aquellas que crecen más rápidamente. Algo similar se ha observado al trabajar con E. coli B/r que cuando está medio mínimo desarrolla más lentamente y produce células con un tiempo de generación de 72 min y con diámetros de alrededor de 0,5 µm; en cambio, cuando crece en un medio de cultivo rico, exhibe tiempos de generación de 22 min en promedio y

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células más gruesas con diámetros mayores o iguales a 1µm.Sinembrago, no todas las cepas responden de la misma manera. Por ejemplo. E. coli B/r es más alargada cuando crece con altas tasas, pero E. coli B/r H266 son más redondeadas. Un efecto más permanente de la tasa de crecimiento en la forma celular ha sido sugerido por el evolucionario experimento de Lenski y Mongold que identificaron un cambio de forma medible en E. coli durante un experimento de 10 000 generaciones. El cambio era simple, un aumento en longitud y ancho se dan en las células para duplicar su volumen, pero fue adaptativo y heredable, verificaron en practica que un ligero cambio de forma esta correlacionado con la habilidad para superar competidores.El resultado de este y otros experimentos es que la morfología bacteriana no es estática y el tamaño y la forma de una célula individual no tiene que estar predeterminadas, ni ten er dimensiones permanentes. En su lugar, aunque la forma celular puede ser una (por ejemplo, puede ser una bacteria bacilar), la longitud y el ancho puede cambiar en respuesta a las condiciones de crecimiento.

Filamentación con estatus nutricionalTal vez el cambio de forma más frecuente por estrés nutricional es la filamentación disparada por la limitación en la disponibilidad de uno o más nutrientes. Por ejemplo, en ausencia de fosfato, cisteína o glutamina, Actinomyces israelli crece como bacilos filamentosos y ramificados y cuando se le adicionan estos compuestos las células retornan a su morfología regular de bacilos cortos. Cuando el medio es limitante en biotina, Arthrobacter globiformis forma bacilos anormalmente largos y ramificados de diversos tamaños; de igual modo se observa cuando falta manganeso en el medio de cultivo. Un efecto análogo por deficiencia de manganeso con división celular que genera filamentación pero no ramificada, ha sido observada en Clostridium wellchii y en condiciones de pobreza de nutrientes en Pseudomonas aeruginosa, Ps. Putida y Ps. Fluorescens células alargadas y delgadas son observadas a diferencia de los típicos bacilos cortos que se observan en medios líquidos. La explicación más simple para estas respuestas es que, cuando el medio ambiente lo demanda, muchas bacterias pueden acelerar o retardar su división celular y septación, creando células largas o cortas respectivamente. ¿Por qué sucede esto? Primero, como acotamos antes, la elongación incrementa la superficie de la célula para una más eficiente adquisición de nutrientes, sin tener que cambiar apreciablemente su relación superficie/volumen. Esta puede ser razón suficiente para células en suspensión. Segundo, la filamentación puede mejorar la adherencia celular a las superficies, no porque la su elongación aumente el área superficial total, sino porque aumenta el área superficial específica que entra en contacto directo con el medio sólido. Steinberger y sus colaboradores, calcularon que un coco perfectamente esférico contacta con un plano sólido usando menos del 17% de su superficie celular, y un bacilo con un largo que es el doble del diámetro de esta esfera contacta con solo el 20% de su superficie. Para un bacilo cuya longitud es 7 veces el diámetro de la esfera, su superficie de contacto se incrementa a un 23%, pero si el bacilo es 10 veces más largo, incrementa su superficie de contacto a solo 24% y prolongaciones mayores tienen pequeños efectos adicionales. Así, este incremento de superficie de contacto de los bacilos podría favorecer a este tipo de células en su superficie de contacto con su principal fuente de nutrientes. Finalmente, la filamentación podría llevar a las células a tener acceso a nutrientes que de otro modo no estarían disponibles por razones mecánicas, al incrementar la posibilidad de que parte del filamento entre en contacto con una zona rica en nutrientes y capte nutrientes para el resto de la biomasa celular.

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Estreptococos nutricionalmente deficientesEn 1961, Frenkel y Hirsch aislaron estreptococos que crecían con un rango de morfologías inusual. Cuando los hicieron crecer bajo condiciones limitantes de nutrientes, los aislamientos tuvieron paredes celulares delgadas y a menudo crecieron como verdaderos filamentos y no como típicos cocos que son. Estos investigadores fueron los primeros en describirlos como “estreptococos nutricionalmente variantes” pero que ahora los conocemos como “estreptococos nutricionalmente deficientes”. Cuando células de la cepa 14NDS fueron vistos por microscopía electrónica, so observó que tenía forma variable, con delgadas paredes celulares y septos inadecuados. Las primeras observaciones de estreptococos del grupo viridans con forma variante fueron designadas como dos nuevas especies de Streptococcus: S. defectivus y S. adjacens que posteriormente fueron identificados, por análisis de 16S RNAr, como pertenecientes a un nuevo género: Abiotrophia, que ahora tiene una tercera especie A. elegans. Desde su descubrimiento, las cepas nutricionalmente deficientes o NDS han sido aisladas de diversas fuentes clínicas, pero siguen siendo difíciles de identificar debido su bizarra morfología que incluye bacilos y filamentos con abultamientos bulbosos irregularmente espaciados. Actualmente se encuentran clasificados bajo dos géneros: Abiotrophia y Granulicatella.El cambio de forma de los NDS representa otra respuesta al estatus nutricional. Las aberraciones morfológicas de los NDS pueden manipularse alterando la concentración de vitamina B6: bajas concentraciones inducen formas tipo bacilo, filamentos, hinchados y morfologías aberrantes. De hecho, muchos NDS revierten a la clásica forma cocoide cuando son suplementados con nutrientes apropiados (cisteína, tioles o vitamina B6). Las células filamentosas se deben a la formación de septos incompletos, debido a que la vitamina B6 es necesaria para la conversión de L-alanina en D-alanina para la síntesis del peptidoglicano. En muchos casos, los NDS representan otro ejemplo de bacteria que responde a la depleción nutricional por medio de una controlada filamentación.

¿Una verdadera forma?El comportamiento de los organismos NDS plantea una interesante posibilidad. Algunas bacterias que conocemos como pleomórficas, exhiben estas morfologías porque ellas están desprovistas de nutrientes esenciales durante su cultivo in vitro, y que tendrían una forma uniforme en presencia del nutriente requerido. Esta podrían ser formas generadas como artefactos de nuestros métodos de cultivo, lo que también podría aplicarse para otros organismos que solemos llamar como “no cultivables”. Por otro lado, la habilidad de adoptar formas aberrantes es usada por muchas bacterias en sus hábitats naturales. En cualquier caso, las variaciones de forma celular nutricionalmente dependientes podrían tomarse como un reporte de lo natural; podemos estudiar las formas in vivo de los organismos y así responder sí la forma bacteriana se acomoda a placer de la célula, de acuerdo a su estatus nutricional o por otros aspectos que le rodeen.

MORFOLOGÍA COLONIAL

Características de las colonias bacterianas.Cuando las bacterias crecen en la superficie de un medio de cultivo sólido, las células en división permanecen aproximadamente fijas en su posición y forman masas de muchos

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millones de células visibles a simple vista. Las colonias así formadas varían desde un tamaño diminuto, apenas visible, hasta masas de varios milímetros de diámetro.Su tamaño, forma, textura, olor y en algunos casos color son, a veces, muy orientativos para la identificación de las bacterias que la componen. Aunque estas características dependen a menudo de la naturaleza del medio de cultivo y de las condiciones de incubación, cuando éstas se controlan cuidadosamente, son muy constantes y, en muchas ocasiones, tienen un valor diferencial considerable.La morfología de las colonias es una de las características básicas de las bacterias y es indispensable su estudio para comenzar correctamente una identificación preliminar. Las características morfológicas más importantes de una colonia bacteriana aislada sobre un medio de cultivo sólido son:

Tamaño:El tamaño de las colonias bacterianas es, en condiciones de cultivo favorables, bastante uniforme para cada especie o tipo. La visualización del tamaño se suele hacer a simple vista, aunque a veces es preferible utilizar lupas o estereoscopios para poder discernir con mayor claridad las características morfológicas a observar. Las colonias de estreptococos, por ej., son relativamente pequeñas (menos de 1 mm de diámetro), mientras que las de estafilococos o las de algunos bacilos pueden alcanzar hasta 1 cm de diámetro. Es importante destacar que las características de una colonia deben estudiarse siempre sobre el mismo tipo de medio de cultivo, para evitar las diferencias surgidas por la diferente composición de los mismos.El tamaño de las colonias bacterianas podemos expresarlo en las siguientes categorías:

Pequeñas o puntiformes: 1 mm de diámetro o menor Medianas: hasta 4 mm de diámetro Grandes: mayores de 4 mm de diámetro

El tamaño de las colonias debe ser considerado y medido en la parte final de la zona de aislamiento, que es donde presentan su máximo tamaño. No deben valorarse más que colonias bien aisladas.

Morfología:La morfología de una colonia viene dada por su borde y forma de elevarse sobre el medio de cultivo. El borde puede ser liso (redondeado u ovalado) o irregular (aserrado, lobulado o espiculado). Si pudiésemos hacer un corte en un plano perpendicular a la base de la colonia podríamos encontrar las siguientes posibilidades:

semiesférica o convexa plana o en disco acuminada cerebroide plana con bordes elevados (en cráter). plana con centro elevado (en huevo frito)

Superficie:La superficie de la colonia, examinada mediante luz reflejada, puede mostrar un aspecto liso y brillante a la luz o, por el contrario, una textura irregular, rugosa y mate, sin brillo. Puede mostrar un aspecto filamentoso o cerebroide.La utilización de una lupa estereoscópica permite la observación de esta característica mediante la detección del reflejo del filamento de la lámpara en la superficie de la colonia.

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Consistencia:Las colonias bacterianas pueden tener una consistencia variable, desde seca y frágil a grasienta y cremosa o viscosa y pegajosa. Esta característica sólo se aprecia cuando tocamos las colonias con el asa de siembra.Podremos observar colonias "duras" que se deslizan fácilmente por la superficie del medio, siendo difícil manipularlas con el asa. A menudo estas colonias se fragmentan al intentar cogerlas.Otras colonias tienen apariencia cremosa, con superficie brillante generalmente y fáciles de manipular con el asa. La mayoría de las colonias tienes consistencia mantecosa, siendo muy fácil obtener pequeñas porciones de la misma, que quedan bien adheridas al asa de siembra.En algunas ocasiones las colonias son extremadamente viscosas y tienden a formar filamentos mucosos cuando intentamos retirarlas con el asa.

Tabla de caracterización de la morfología colonial bacteriana

Pigmentación:Es característico sólo de unas pocas especies bacterianas. La pigmentación sólo se observa en colonias, y nunca en células individuales. Dentro de las bacterias patógenas, una de las formas pigmentadas más importantes es Stahpylococcus aureus, cuyas colonias son normalmente de color amarillo dorado. En ocasiones, el pigmento difunde al medio, dando a éste una tonalidad característica en algunas especies. Pseudomonas, por ejemplo, produce un pigmento verdoso que puede ser fácilmente reconocido en medios incoloros como el Mueller-Hinton.

Colonias de S. aureus en agar sangre y de P. aeruginosa en agar Muller Hinton.

Hay que tener especial precaución para no atribuir una falsa pigmentación a colonias que se han desarrollado en medios con determinadas sustancias nutritivas (azúcares) e indicadores de

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cambio de pH. Por ejemplo, los gérmenes que utilizan la lactosa para su metabolismo darán colonias de color amarillo en un medio que contenga este azúcar y un indicador de pH adecuado.

Hemólisis:Algunas bacterias, fundamentalmente los cocos, pueden ser capaces de hemolizar los hematíes de un medio nutritivo sólido como el agar sangre. Esto es debido a la liberación de unas sustancias denominadas hemolisinas. La hemólisis de los hematies adyacentes a la colonia puede ser intensa o ligera y se observa como un halo verdoso más o menos claro alrededor de la colonia. La hemólisis intensa se denomina ßeta hemólisis; la hemólisis parcial se conoce como alfa hemólisis y la ausencia de ésta se define como gamma hemólisis. La producción de hemólisis en una placa de agar sangre es una de las características que ayudan a diferenciar los diferentes tipos de estreptococos.

Olor:Ciertos tipos de bacterias descomponen los sustratos que utilizan para su metabolismo desprendiendo sustancias volátiles que proporcionan un olor característico a los cultivos puros de dichas bacterias. Como intentar definir un olor es tan difícil como subjetivo, sólo os diré que será únicamente la práctica diaria la que os permita un reconocimiento adecuado de esta característica.Puesto que estas características aparecen en grados y combinaciones variables de unas bacterias a otras, el aspecto de las colonias es a menudo bastante característico, permitiendo distinguir distintas clases de bacterias en cultivos mixtos o contaminados. La diferenciación en base a un criterio morfológico de las colonias es sólo orientativa, y para poder identificar una bacteria se necesita un estudio detallado de sus características fisiológicas e inmunológicas.

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Tipos de hemolisis en Agar Sangre

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