1. Historia
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LOS PRINCIPIOS DE LA MICROBIOLOGÍA EL MUNDO de los microbios o microorganismos es quizá tan vasto como el Universo y, para dar un pequeño ejemplo, un puñado de tierra contiene tantos microorganismos como seres humanos el planeta entero. Esto representó un gran obstáculo para su estudio, ya que existía la dificultad de tener que separar un microorganismo de los demás. Y, de cualquier forma, si se lograra separar dicho microorganismo, ¿cómo se mantendría aislado de sus similares? La labor y el esfuerzo combinados de muchos hombres y mujeres de ciencia, a lo largo de unos 200 años de historia, dio como resultado el surgimiento de la microbiología, la ciencia que estudia estos pequeños seres de la naturaleza. Los métodos mediante los cuales ha sido posible separar a los microorganismos de sus alrededores, pueden ser descritos en orden de aparición, ya que los problemas que surgen durante el desarrollo de una ciencia experimental sólo pueden ser comprendidos a la luz del conocimiento que prevalecía en su tiempo. I.1 LAS PRIMERAS IDEAS La teoría de la generación espontanea. La creencia de que existían seres tan pequeños que eran invisibles se remonta a tiempos tan lejanos como antes de la Era Cristiana. Doscientos años antes de ella, Varro ya proponía la posibilidad del contagio de ciertas enfermedades debido a criaturas invisibles suspendidas en el aire, y esta idea ya era compartida por los antiguos médicos latinos y árabes. Figura 1. Foto de una bacteria, la Escherichia coli Lucrecio fue conocido por su punto de vista peculiar sobre la materia, ya que pensaba que las cosas surgían de una especie de átomo o semilla. En su obra De Rerum Natura (75 a. C.) sugiere que las plagas eran causadas por una especie de átomo. Y en el libro VI dice: "Así como hay semillas benéficas para nuestra vida, seguramente existen otras que causan enfermedad y muerte," Este punto de vista puede ser considerado como un claro ejemplo de que se intuía ya que la naturaleza de la infección era microbiana. Sin embargo, estas semillas no se consideraban como organismos vivientes. Por otra parte, prevalecía la idea de que las cosas emergían de semillas y que sólo la combinación de varias de ellas podría dar origen a un organismo completo. Así pues, existía la duda sobre el origen de la primera semilla. De alguna forma esta primera semilla se había generado espontáneamente, es decir que podían aparecer organismos vivientes a partir de materia no viviente. A esta corriente de pensamiento se le conoció como la teoría de la generación espontánea y persistió por más de 1 500 años. El contagio de las enfermedades. La epidemiología es la rama de la medicina que estudia la propagación de las enfermedades y se inició mucho antes de que se aplicara el término "enfermedad contagiosa" por los aún desconocidos agentes causantes de las infecciones. En la Antigüedad, los hebreos consideraban a las enfermedades infecciosas como un castigo proveniente del Señor. Sin embargo, los escritos bíblicos ya indicaban que las personas con lepra debían ser aisladas y los artículos y materiales que se utilizaban durante su enfermedad, enterrados o quemados. Más tarde, Lucrecio y Boccaccio reconocieron la naturaleza contagiosa de estos brotes epidémicos y, por fin, en 1546, Fracastorius de Verona presentó su obra titulada De Contagione. Este libro fundó la ciencia de la epidemiología propiamente dicha. Después de estudiar cuidadosamente la epidemiología de varias enfermedades, incluyendo la plaga y la sífilis, Fracastorius concluyó que la transmisión se producía de persona a persona, directamente o bien por medio de objetos de uso común. Más tarde otros, y él mismo, mezclaban las teorías racionales con otras ideas basadas en la superstición. Por ejemplo, pensaban que las plagas o epidemias eran gobernadas por fuerzas sobrenaturales. Como resultado de esta confusión, casi un siglo después médicos prominentes como William Harvey no tomaban en serio las ideas de Fracastorius y se adhirieron a las ideas de Hipócrates y Galeno que consideraban que las epidemias o vapores venenosos eran generados por conjunciones planetarias o por alteraciones en la propia Tierra. El panorama era aún más complicado si se toma en cuenta que las enfermedades pueden ser transmitidas de distintas maneras, como puede ser por el agua, la comida o los insectos y que en muchas ocasiones estas formas de transmisión no son tan obvias. Las ideas de Lucrecio sobre la naturaleza de la materia fueron resucitadas por Giordano Bruno,al final del siglo XVI, e influenciaron profundamente a Robert Boyle. Sin embargo, el simple razonamiento sobre la existencia de los microbios no constituyó la prueba de su verdadera existencia. Ésta sólo pudo ser demostrada gracias al descubrimiento de una lente de aumento. I.2 LAS PRIMERAS OBSERVACIONES El microscopio abrió las puertas de otro universo. El holandés Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) fabricó la primera lente lo suficientemente poderosa como para observar a los organismos unicelulares. Utilizó una lente convexa y colocó al objeto dentro de la distancia focal (Figura 2). Este arreglo produce una imagen virtual o aparente muy amplificada; con este rudimentario pero ingenioso microscopio logró observar muchos "pequeños animalillos". Éstos incluían protozoarios, tanto de vida libre como parásitos de las vísceras de algunos animales; también logró observar hongos filamentosos y corpúsculos globulares que ahora conocemos como levaduras. Hizo importantes observaciones sobre la estructura de las plantas y descubrió los espermatozoides de algunos animales. Fue hasta 1676 que pudo observar organismos aún más pequeños, como las bacterias. Figura 2. Diagrama del microscopio utilizado por Leewenhoeck. El objeto "O" se coloca dentro de la distancia focal "F" y esto da por resultado una imagen virtual "T" muy amplificada. Por otra parte, el microscopio compuesto, capaz de ampliar la imagen con mayor eficiencia y más conveniente para su uso, fue inventado en 1590 por Zacharías Jensen y usado en 1630 por F. Stellerti para estudiar la miel de abeja y los escarabajos. Sin embargo, todos los modelos producidos hasta antes de 1800 no poseían la resolución y la calidad de los microscopios de un solo lente. Las observaciones de Leeuwenhoek llamaron mucho la atención, pero eso fue todo. Nadie en esta época trató de repetir o extender sus observaciones, ya que la alta calidad de sus lentes y su gran agudeza visual fueron factores determinantes para desalentar a cualquier competidor. A esto se debió el gran retraso que sufrió el desarrollo de microscopios más potentes. I.3 LA CONTROVERSIA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA ¿La vida proviene de la vida o existe la fuerza vital? La comprensión verdadera de la importancia de los microorganismos en el mundo comenzó como resultado de la controversia sobre la generación de materia viviente a partir de la materia muerta. En un principio existían dos escuelas bien definidas de pensamiento: aquélla que tomando a Lucrecio al pie de la letra apoyaba la idea de que se podrían generar animales a partir de materia muerta gracias a la existencia de una "fuerza vital" (generación espontánea) y la que decía que la vida sólo se genera a partir de vida (en latín omne vivum ex vivo). Los antiguos que creían en la generación espontánea daban recetas para preparar "ratones" a partir de comida en putrefacción. Opuestas a este punto de vista eran las ideas de Redi, quien en 1668 mostró que la aparente generación espontánea de larvas en la carne provenía de la visita de las moscas que ponían huevecillos sobre ella. Sin embargo, Needham, otro investigador, hirvió extracto de carne en un frasco, lo tapó y encontró que después de algunos días aparecían criaturas que se movían. Esto, aunado a la idea de que los organismos vivientes morían al ser hervidos, llevó a pensar que dichos organismos eran realmente producto de la generación espontánea. Más tarde, Spallanzani llevó a cabo experimentos más cuidadosos con los que demostró que los organismos grandes eran destruidos al ser hervidos durante 30 segundos, pero los microorganismos sobrevivían y se desarrollaban aunque los frascos estuvieran herméticamente cerrados. Después de muchos ensayos, encontró que si hervía los frascos parcialmente cerrados durante 45 minutos, el contenido se mantenía sin contaminarse casi indefinidamente, y sólo si se permitía la entrada de aire, el contenido entraba en putrefacción rápidamente. Estos resultados llevaron a pensar que, al hervir el contenido, el aire del frasco se hacía inadecuado para la existencia de vida en su interior y esto era interpretado como la ausencia de la "fuerza vital". Un cocinero francés, llamado Francois Appert, a principios del siglo XIX desarrolló el arte de preservar comida en frascos sellados: lo lograba hirviendo el contenido dentro del frasco y cerrándolo sin permitir la entrada de aire fresco. Observó que así el contenido se mantenía libre de microorganismos por tiempo indefinido. Este hallazgo lo llevó no solamente a fundar una importante industria, la de las conservas, sino a ser inmensamente rico. La objeción a los experimentos de Spallanzani de que al hervir el contenido de los frascos se terminaba con la "fuerza vital" fue descartada por un experimento de Schultze en 1836. Éste consistió en que el recipiente que contenía extracto de carne fue conectado a otros dos recipientes, uno de los cuales contenía ácido sulfúrico y el otro potasa; a través de éstos se hizo pasar lentamente aire fresco todos los días durante tres meses y el extracto de carne no se contaminó. La clave del éxito de este experimento se debió a que las conexiones con ambos recipientes se hicieron inmediatamente después de hervir el extracto de carne, lo cual evitó la contaminación del extracto. Theodor Schwann, en 1837, llevó a cabo un experimento similar, pero la diferencia consistió en que el aire fresco se hacía pasar por un recipiente que contenía un metal fundido en ebullición y de esta forma cualquier materia orgánica se mantenía estéril en el interior. Sin embargo, cuando se dejaba pasar aire fresco sin entrar en contacto con el metal fundido, el contenido se contaminaba invariablemente, con bacterias para el caso del extracto de carne y con levaduras para una solución con azúcar. La interpretación que dio Schwann a sus resultados fue la siguiente: "Los microorganismos que deben estar presentes en el aire son destruidos al hacer pasar el aire por un líquido incandescente. Por lo tanto, la putrefacción sin duda se debe al hecho de que estos gérmenes, al nutrirse y desarrollarse a costa de esta sustancia, la descomponen y sobreviene la putrefacción." Más tarde, la técnica de estos experimentos fue simplificada y en 1853 Schroeder y Von Dush descubrieron que, después de hervir el recipiente, bastaba con cerrar el extremo abierto con un tapón de algodón. De esta manera, el aire que entraba a través del algodón se filtraba al pasar por los múltiples y tortuosos caminos dentro del mismo. Estos experimentos abrieron el camino sobre el cual se basaron los métodos para cultivar bacterias. Dos postulados importantes se derivan de estos resultados: el primero consiste en hacer un medio de cultivo adecuado que esté libre de microorganismos y esto se logra hirviéndolo; el segundo consiste en mantener el medio estéril por largo tiempo y esto se logra evitando la entrada de los microorganismos que están suspendidos en el aire. A pesar de estos avances, los resultados de Spallanzani, Schultze y Schwann no fueron aceptados por la mayoría del público científico de la época. Hoy en día sabemos que muchos microorganismos resisten temperaturas hasta de l00°C durante varias horas. Esto ayudó a los que pensaban que la generación espontánea era un hecho, ya que un solo experimento fallido era utilizado como evidencia para la existencia de esta teoría. Koch, más tarde, llevó a cabo estudios sobre el bacilo del ántrax y encontró que las esporas de algunas bacterias eran altamente resistentes al calor y que sólo se destruían a l20°C o más, y eso al cabo de 20 minutos. Pasteur fue quien desechó la teoría de la generación espontánea. Fue el genio de Louis Pasteur (1822-1895) quien finalmente persuadió al pensamiento científico sobre lo verdadero de la generalización tan claramente formulada por Schwann en 1837. Pasteur se valió de una combinación de habilidad científica, persuasión y un sentido muy particular del drama. Su experimento consistió básicamente en hervir infusiones en un aparato tal que, cuando el contenido se enfriaba, el aire que entraba era calentado y luego vuelto a enfriar al pasar por una camisa enfriada con agua. Bajo estas condiciones la infusión se conservaba libre de contaminación. La figura 3 ilustra el aparato tal como fue diseñado por Pasteur. Sin embargo, el experimento más sorprendente fue aquel en el que Pasteur mostró cómo un medio nutritivo permanecía estéril aun cuando estuviera comunicado con el exterior. Para esto diseñó unos frascos especiales (Figura 4) en los que, como se puede ver, se permite la entrada de aire, pero no se contaminan porque en el primer doblez del cuello se retienen los posibles microbios contaminantes. Estos frascos se encuentran hoy en día tal y como los dejó este notable hombre de ciencia. Figura 3. Experimento diseñado por Pasteur para demostrar que si el aire que entra al recipiente cuyo contenido hirvió es previamente calentado, el contenido no se contamina. El aire caliente se enfría con un trapo mojado antes de que éste llegue al caldo nutritivo. Pasteur confirmó también los experimentos de Schroeder y Von Dusch, quienes hirvieron una infusión de carne y cerraron los frascos con tapones de algodón. Este experimento lo amplió Pasteur utilizando tapones de nitrato de celulosa en lugar de algodón, para después disolver el tapón en alcohol, de tal forma que los gérmenes atrapados en el tapón fueran liberados; después examinó el contenido del tapón bajo el microscopio y observó partículas globulares que semejaban esporas de hongos y bacterias. A pesar del éxito de los experimentos de Pasteur no siempre se lograba reproducirlos, y esto se debía principalmente a la resistencia de ciertas esporas o microbios a las altas temperaturas. Sin embargo, tal dificultad no pudo opacar el concepto general que Pasteur logró aclarar. Figura 4. Botellas de cuello de ganso que Pasteur dejó como prueba de que la putrefacción proviene del crecimiento de microorganismos y no de la generación espontánea. El físico Tindall estaba interesado en los fenómenos de la dispersión de la luz en el agua y en el aire (fenómeno que ahora se conoce como efecto Tindall) y sus observaciones se apoyaron en los experimentos de Pasteur. Tindall encontró que un rayo de luz puede observarse mejor cuando el humo de un cigarrillo pasa a través de él. Lo mismo ocurre en un cámara en cuyo interior hay aire normal. Al pasar un rayo de luz se observarán pequeñas partículas que flotan y que, él pensó, podían ser atribuidas a la presencia de los microorganismos responsables del fenómeno de putrefacción. Tindall mostró que el aire normal contenido en una cámara hermética presenta una serie de partículas diminutas que se hacen aparentes al incidir un rayo de luz en la cámara. Sin embargo, después de algunas semanas las partículas se depositan en el fondo y el rayo de luz ya no es dispersado. A esto Tindall lo llamó cámara ópticamente vacía. En 1869 este físico inglés demostró que al llenarse una cámara con aire que se forzaba a pasar a través de un algodón, se lograba obtener aire ópticamente vacío. La relación de sus experimentos con los de Schwann y Pasteur fue obvia para él: las pequeñas partículas no eran otra cosa que microorganismos. Demostró que el aire ópticamente vacío no iniciaba el proceso de putrefacción. En 1876 diseñó una cámara (Figura 5) que permitía observar tanto la presencia de partículas contenidas en el aire como la putrefacción de cualquier sustancia depositada en el interior de la cámara. Esta cámara tenía además una entrada para depositar la muestra (B) y una ventilación que servía también para equilibrar las presiones (A) y consistía en un tubo con varios dobleces. Para determinar la presencia de partículas en el aire, el rayo de luz (E) se hacía pasar como se muestra en la figura. El 10 de septiembre de 1875 se cerró la caja de Tindall y, al pasar el rayo de luz, éste se hizo aparente por la presencia de las partículas suspendidas en el aire. Para el 13 de septiembre, el aire en su interior estaba ópticamente vacío. El experimento se llevó a cabo utilizando un caldo de cultivo que fue depositado en los tubos de ensayo del interior. El caldo hirvió durante 5 minutos al ser sumergidos los tubos en un baño hirviente de salmuera. Por otra parte, otros tubos que también fueron hervidos se dejaron fuera de dicha caja. Para el cuarto día, los tubos que quedaron fuera de la caja estaban ya turbios mientras que los que estaban en su interior se mantuvieron trasparentes durante 4 meses. Al abrir la caja el contenido de los tubos se volvió turbio en 4 días. Estos experimentos se repitieron en varias ocasiones con otro tipo de infusiones siempre con el mismo resultado y éxito. La inferencia era clara, el aire ordinario contiene normalmente cantidades variables de microbios y son a éstos precisamente a los que se debe la mal llamada "generación espontánea". Figura 5. Cámara de Tindall. La fermentación debe estar asociada a un microbio. A pesar de que Pasteur logró demostrar que la contaminación de un caldo de cultivo se debe a la presencia de microorganismos, seguía siendo importante saber cómo ocurrían los procesos de putrefacción de la materia. Así fue como otra serie casi innumerable de sucesos ocurrieron y permitieron descartar definitivamente las ideas sobre la generación espontánea. En estudios posteriores sobre la fermentación butírica y la producción de vinagre, Pasteur encontró que estos procesos se debían al desarrollo de microorganismos específicos como son el Vibrion butiricum y el Mycoderma aceti. A pesar de esto, Liebig consideraba que la putrefacción y la fermentación eran producidas por "fermentos" (del latín fermentum, que viene de fervere hervir y se refiere a la evolución del gas) que, según él, consistían de materia orgánica en descomposición. Se consideraban fermentos, por ejemplo, las partículas de queso viejo que al mezclarse con un poco de leche hervida hacían que ésta se acidificara rápidamente y, según Liebig, tal reacción se debía a la existencia de fermentos. La existencia de levaduras, que para Pasteur explicaba la fermentación, para Liebig sólo significaba que estos microorganismos, al morir, se descomponían y, por lo tanto, actuaban también como fermento. Sin embargo, Pasteur finalmente demostró que las levaduras originan el proceso de fermentación mientras crecen. En resumen, Pasteur aclaró los conceptos sobre la fermentación y definió que ésta es el producto de una reacción que lleva a cabo un microorganismo y que cada microorganismo tiene su propio tipo característico de fermentación. Las levaduras producen alcohol, las bacterias lácticas ácido láctico, el vibrión butírico ácido butírico, etcétera. Otro investigador de la época, Gay-Lussac, proponía que la fermentación era el resultado de una serie de reacciones químicas. Sin embargo, sus resultados eran poco refinados como para que se sostuvieran ante las evidencias de Pasteur. Edward Buchner, más adelante, logró demostrar en forma accidental que la fermentación ocurría en un extracto de levaduras, y comenzó a pensar en la fermentación como una cadena de reacciones químicas que podían ocurrir aun en ausencia del microorganismo. I.4 CÓMO SON LAS BACTERIAS Es importante recordar que las bacterias no poseen todas las estructuras que contienen en su interior las células de los organismos que aquí llamaremos superiores y éstas pueden ser desde las levaduras hasta las células de cualquier animal. La figura 6 muestra estas diferencias estructurales. Las células bacterianas presentan dos características principales. La primera es que no tienen un núcleo que contenga al ácido desoxirribonucleico (ADN), el cual es el material genético, sino que éste se encuentra libre en su interior (citoplasma). El tamaño de esta molécula de ADN es varios cientos de veces más grande que la bacteria misma y contiene toda la información hereditaria necesaria para asegurar la superviviencia de la pequeña célula. La segunda es que el citoplasma contiene, además, moléculas de ARN, llamadas ribosomas, cuya función es la de ensamblar proteínas que tendrán, a su vez, diversas funciones. Estos ribosomas son más pequeños que los de las células de los animales superiores. Las bacterias tienen también envolturas celulares diferentes a las de las células de los animales superiores. Todas presentan una pared formada de un componente químico específico llamado peptidoglicano, que es el responsable de dar a la célula una envoltura resistente. La presencia de la llamada pared celular ha permitido catalogar a las bacterias en gram positivas y gram negativas. Las bacterias que se tiñen con un colorante violeta son las positivas para la tinción de gram y no tienen pared celular. Otras no se tiñen con el colorante y se les conoce como gram negativas. Figura 6. Diferencias estructurales entre la células superiores y las bacteias. Las bacterias pueden tener organelos que les permitan moverse. Los más comunes son los flagelos, que se proyectan de su superficie en uno de los extremos de la célula. Las bacterias pueden ser de muchas formas: esféricas, en forma de bastón y hasta ramificadas. En general, su tamaño es muy inferior al de una célula de un organismo superior y su multiplicación es por división asexual. Durante su ciclo reproductivo se forma una pared divisoria después de que su cromosoma, formado de ADN que contiene la información genética, se ha duplicado. De esta forma las dos porciones de la célula se separan, conteniendo cada una de las nuevas células su propio cromosoma (Figura 7). Algunas bacterias tienen estructuras conocidas como endosporas, las cuales pueden resistir el paso del tiempo y aun agresiones tales como altas temperaturas y productos químicos tóxicos que acaban normalmente con una bacteria. Estas esporas permanecen en estado latente y, bajo condiciones adecuadas, pueden dar lugar a una nueva bacteria. Las bacterias están íntimamente ligadas a la existencia de la vida sobre la Tierra. Son causantes de muchas enfermedades, pero también en muchos casos son las responsables de la continuidad de la vida. Los microbios y las enfermedades. Sin duda una de las cargas que más ha pesado sobre la humanidad ha sido las enfermedades causadas por los microorganismos. No solamente eran la causa más frecuente de muerte sino, además, de las enfermedades que atacaban a los menores de edad. No en pocas ocasiones a causa de la naturaleza epidémica de las infecciones, ejércitos y naciones enteras fueron exterminados. Una de las grandes hazañas de las ciencias médicas y biológicas ha sido el descubrimiento de la causa y el control de estas epidemias devastadoras. Hoy en día es fácil dar por hecho estos logros tan importantes y preocuparse por los problemas derivados de los avances tecnológicos. Sin embargo, Pasteur y Koch llegaron a ser considerados héroes por haber rescatado a la humanidad de una de las más grandes amenazas con la que tuviera que enfrentarse: la contaminación microbiana. Es indudable que el avance de la microbiología como una ciencia es inseparable de su función como pilar fundamental de la medicina moderna. Figura 7. Ciclo reproductivo de una bacteria. La reproducción se lleva a cabo asexualmente por división celular. El diagrama muestra las siete etapas del ciclo de vida de la bacteria Escherichia colique por lo común se encuentra poblando el intestino grueso de los humanos. 1) El único cromosoma circular de ADN ya se empieza a replicar. 2, 3) A los 20 minutos el nuevo cromosoma está completo y se ha fijado a un sitio en la célula. 4) A los 25 minutos los dos cromosomas se han empezado a duplicar. 5) Aparece una división en el centro de la célula. 6) A los 38 minutos la división es ya una pared. 7) A los 45 minutos la división se ha completado. Los microbios del suelo. Al final de la era encabezada por Pasteur, otros investigadores, como lo fueron Winogradsky en Rusia y Beijerinck en Holanda, comenzaron a explorar la microbiología del suelo y descubrieron para su sorpresa una gran variedad de microorganismos en los diferentes tipos de suelo que estudiaron. Con el desarrollo de la "microbiología del suelo" se hizo aparente que el principal papel que desempeñan los microbios en la naturaleza es geoquímico. Gracias a la presencia de bacterias en la tierra, los compuestos orgánicos como el carbono, el nitrógeno y el azufre pueden ser usados cíclicamente por las plantas y los animales, en vez de que dichos elementos se encuentren como materia inorgánica muerta. Un hecho interesante es que la "fertilidad" de la tierra se acrecienta si en ésta hay bacterias que sean capaces de convertir nitrógeno atmosférico o amoniaco proveniente de la descomposición de material orgánico en nitrato (que viene a ser la forma no volátil de estos compuestos), forma en la cual es aprovechado por las plantas que en ella crecen. Por otra parte las algas y, en una menor proporción, las bacterias fotosintéticas llevan a cabo la otra mitad del ciclo geoquímico, la formación de materia orgánica a partir de bióxido de carbono (C02) por medio de la fotosíntesis. Es importante enfatizar el papel benéfico de ciertos microbios, ya que la conexión histórica entre las enfermedades infecciosas y la microbiología ha dado lugar a la imagen popular de que el mundo de los microbios es maligno y hostil. Sin embargo, la fracción de microbios nocivos para el hombre es mínima con respecto al del total de la masa microbiana sobre la Tierra. La mayoría de los microbios ataca la materia orgánica muerta cuando está bajo tierra y constituye un factor determinante en la transformación de la materia orgánica.
