BREVE HISTORIA DE LA MICROBIOLOGÍA

Durante mucho tiempo se sospechó la existencia de criaturas demasiado pequeñas para ser percibidas a simple vista, su descubrimiento estuvo relacionado con la invención del microscopio

1. El primer microscopio y las primeras observaciones.

Robert Hooke: en su obra "Micrographia", que constaba de 50 observaciones microscópicas y telescópicas, descubrió la celula observando en el microscopio una lámina de corcho. Se dio cuenta de que estaba formado por pequeña cavidades poliédricas (pared celular). En esta obra fue en la primera obra escrita en la que se acuñó la palabra "célula"

(1673) Anton Van Leeuwenhoek: Mientras desarrollaba su trabajo como comerciante de telas, construyo, para la observación de la calidad de éstas, unas lupas de mejor calidad que las que se podían conseguir en ese momento. Mediante una cuidadosa manipulación y un buen enfoque fue capaz de ver microrganismos tan pequeños como los procariotas. Describió sus observaciones en una serie de cartas que dirigió a la Royal Society de Londres, que las publicó en versión inglesa. Observó la estructura de las semillas, hematíes, espermatozoides, etc… pero su máximo descubrimiento fueron los animáculos(levaduras, algas protozoos y algunas bacterias de gran tamaño)

2. La derrota de la generación espontánea

Generación espontánea es una antigua teoría sobre el origen de la vida que defiende que ésta puede surgir de manera espontánea a partir de materia inorgánica. Era una creencia profundamente arraigada y descrita por Aristóteles. La generación espontánea o autogénesis se fundamenta en procesos como la putrefacción (de un trozo de carne podrían generarse larvas de moscas)

La generación espontánea implica que la vida puede surgir de algo inanimado, pero muchos no podían imaginar que algo tan complejo como una célula viva, pudiera originarse de sustancias inertes.

(1668) Francesco Redi, realizó un experimento en el que colocó cuatro vasos en los que puso respectivamente un pedazo de serpiente, pescado, anguilas y un trozo de carne de buey. Preparó después otros cuatro vasos con los mismos materiales y los dejó abiertos, mientras que los primeros permanecían cerrados herméticamente. Al poco tiempo algunas moscas fueron atraídas por los alimentos dejados en los vasos abiertos. En cambio, en los vasos cerrados ni siquiera después de varios meses, sucedió eso. Así llegó a la conclusión de que las larvas se originaban de las moscas, no por generación espontánea. Ante las objeciones que surgieron de que había faltado circulación del aire (principio vital o principio activo), realizó un segundo experimento. Esta vez no cerró los vasos herméticamente, sino que los recubrió de gasa. El aire circulaba, pero el resultado fue idéntico al anterior.

(1769) Lázaro Spallanzani, tras rechazar la teoría de la generación espontánea, diseñó experimentos para refutar los realizados por John Tuberville Neddham, que había calentado y seguidamente sellado caldo de carne en diversos recipientes y había encontrado microrganismos al abrirlos. No obstante, prolongando el periodo de calentamiento y sellando con más cuidado los recipientes, Spallanzani demostró que dichos caldos no generaban microrganismos mientas que permaneciesen sellados.

(Segunda mitad del s. XIX) Louis Pasteur: Demostró en primer lugar, que en el aire había estructuras que se parecían mucho a los microrganismos encontrados en el material putrefacto. Lo logró pasando aire a través de filtros de algodón pólvora (piroxilina), cuyas fibras retenían las partículas sólidas. Después de disolver los filtros con una mezcla de alcohol y éter, las partículas que habían sido atrapadas se recogían en el fondo del líquido y se examinaban al microscopio. Descubrió que el aire contiene constantemente una diversidad de células microbianas que son indistinguibles de las que se encuentran en el material en putrefacción. Postuló que dichas células en suspensión se depositan constantemente sobre todos los objetos. Si esta conclusión era correcta entonces no debería estropearse un alimento tratado de tal modo que todos los organismos que lo contaminasen, fuesen destruidos.

Empleó el calor para eliminar los contaminantes. Eludió a aquellos que defendían la generación espontánea y que era necesario aire para que esta se produjese, diseñando el matraz Pasteur. En ellos se podía calentar el material en putrefacción hasta ebullición. Cuando el matraz se enfriaba, el aire podía entrar de nuevo, pero la curvatura del cuello evitaba que el material particulado, las bacterias y otros microrganismos, alcanzasen el interior del matraz. El material esterilizado en tal recipiente no se descomponía y no aparecían microrganismos mientras el cuello del matraz no contactara con el líquido estéril. Sin embargo, bastaba con que el matraz se inclinara lo suficiente como para permitir que el líquido estéril contactara con el cuello, para que ocurriera la putrefacción y que el líquido se llenara de microrganismos.

Eliminar todas las bacterias o microrganismos de un objeto es un proceso que ahora denominamos Esterilización. La superación de la teoría de la generación espontánea condujo al desarrollo de procedimientos eficaces de esterilización sin los cuales la microbiología no podría haberse desarrollado como ciencia.

3. La problemática de las endosporas

Aunque Pasteur tuvo éxito en la esterilización de sustancias por simple ebullición, algunos investigadores encontraron circunstancias en las que la ebullición era insuficiente. Ahora sabemos que este fracaso era debido a la presencia en algunos materiales de bacterias que forman estructuras excepcionalmente termorresistentes llamadas endosporas. El trabajo inicial sobre las endosporas se debe a dos hombres: John Tyndall y Ferdinand Cohn.

(1887) John Tyndall: Fue un físico irlandés que evidenció la existencia de formas bacterianas muy resistentes al calor (endosporas). Observó que algunas preparaciones, como los jugos de frutas usados por Pasteur eran relativamente fáciles de esterilizar en tan solo cinco minutos de ebullición, mientras que otras no se esterilizaban ni aun usando periodos de calentamiento más largos, a veces de varias horas. Las infusiones de heno eran llamativamente difíciles de esterilizar. Además, si se introducía heno en el laboratorio, incluso las soluciones de azúcar no podían esterilizarse con seguridad aunque se empleasen horas de ebullición. Así que ideó la Tindalización. La tindalización es un método de esterilización por calentamiento discontinuo. Consiste en someter a una sustancia a un proceso seriado de elevación y disminución de la temperatura, de modo que en cada una de las etapas se eliminen paulatinamente las formas vegetativas y de esporas.

Fase 1: Calentamiento a una temperatura entre 50 y 100 grados centígrados. Las bacterias capaces de formar esporas termorresistentes, ante la variación de sus condiciones ambientales, forma la endoespora que resiste el calentamiento.

Fase 2: Reposo durante 24 horas a una temperatura entre 30 y 37 grados. Al volverse favorables las condiciones ambientales, la espora germina.

Fase 3: Calentamiento a una temperatura entre 50 y 100 grados. Las formas vegetativas desaparecen por acción del calor.

Para que este tipo de esterilización sea efectiva, debe realizarse del orden de tres o cuatro calentamientos con su respectiva etapa de germinación entre ellos.

Ferdinand Cohn (1828-1898) Fue un botánico y bacteriólogo alemán. Efectuó detalladas observaciones microscópicas y descubrió la existencia de endosporas dentro de las células de cultivos viejos de especies de Bacillus.

4. ROBERT KOCH Y LA TEORÍA MICROBIANA DE LAS ENFERMEDADES INFECCIOSAS

La demostración de que los microrganismos podían causar enfermedades proporcionó un gran impulso al desarrollo de la microbiología. En realidad, ya en el siglo XIX se pensaba que se podía transmitir algo de una persona enferma a una sana para inducir en ésta la enfermedad de la primera. Muchas enfermedades parecían diseminarse por la población y se llamaban contagiosas; y el desconocido agente que causaba la diseminación fue a su vez llamado contagio. Tras el descubrimiento de los microrganismos, se aceptaba más o menos que estos organismos podían ser responsables de enfermedades, pero faltaban pruebas. La teoría microbiana de las enfermedades infecciosas no fue claramente concebida y probada experimentalmente hasta el trabajo del médico Robert Koch.

En su trabajo inicial, publicado en 1876, Koch estudió el carbunco, una enfermedad del ganado que en ocasiones también afectaba al hombre. La enfermedad está causada por una bacteria formadora de endosporas llamada Bacillus anthracis, y la sangre de un animal con carbunco está llena de células de ésta bacteria. En sus estudios sobre el carbunco, Koch utilizó el ratón como animal experimental y como entonces no existían suministradores comerciales del ratón blanco de laboratorio, usaba ratones grises domésticos que cazaba en un establo cercano.

Mediante cuidadosos estudios microscópicos, Koch puso de manifiesto que la bacteria estaba siempre presente en la sangre de los animales que presentaban la enfermedad. Sin embargo, la mera asociación de la bacteria con la enfermedad no demostraba realmente que la bacteria fuese la causa. Por eso, demostró que era posible tomar una pequeña cantidad de sangre de un ratón enfermo, inyectarla en un segundo ratón y provocar en este la enfermedad y la muerte. Tomando sangre de este segundo animal e inyectándola en otro obtenía de nuevo los síntomas característicos de la enfermedad. Repitiendo el proceso así hasta 20 veces demostró que la bacteria causaba el carbunco: el vigésimo ratón murió tan rápido como el primero y en cada caso, Koch, demostró por microscopía que la sangre del animal contenía gran cantidad de la bacteria formadora de esporas.

Koch llevó este experimento aún más lejos. Demostró también que la bacteria podía ser cultivada fuera del animal en líquidos nutritivos y que, incluso después de muchas transferencias o resiembras de cultivo, la bacteria podía aún causar enfermedad cuando se reinoculaba a un animal. Es decir, la bacteria de un animal enfermo y la mantenida en cultivo inducían los mismo síntomas de enfermedad tras la inoculación. Basándose en éste y otros experimentos Koch formuló los siguientes criterios, que reciben el nombre de postulados de Koch para demostrar que un tipo concreto de microrganismos causa una enfermedad específica:

- El organismo debe estar siempre presente en los animales que sufran la enfermedad y no en los individuos sanos.

- El organismo debe ser cultivado en cultivo axénico puro fuera del cuerpo del animal.

- Tal cultivo, cuando se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad.

- El organismo debe ser reaislado de éstos animales experimentales y cultivado de nuevo en laboratorio, tras lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el microrganismo original.

Los postulados de Koch no solo proporcionaron un medio para demostrar que organismos específicos originan enfermedades específicas sino que supusieron un enorme estímulo para en desarrollo de la Microbiología resaltando la importancia del empleo de los cultivos axénicos. Usando los postulados de Koch como guía, otros investigadores revelaron posteriormente la causa de muchas enfermedades importantes del hombre y los animales. Estos descubrimientos, a su vez, condujeron al establecimiento de tratamientos adecuados para la prevención y cura de muchas enfermedades infecciosas, ampliándose así las bases científicas de la medicina clínica.

5. ROBERT KOCH Y LOS CULTIVOS AXENICOS PUROS

Para estudiar adecuadamente las actividades de un microrganismo, como puede ser el caso de un microrganismo causante de una enfermedad, se debe conocer con seguridad que es el único que está presente en un cultivo. En otras palabras, el cultivo debe ser axénico o puro. Cuando se trata de objetos tan pequeños como los microrganismos, asegurar la pureza no es una tarea fácil, ya que incluso una diminuta muestra de sangre o secreción de un animal puede contener varios tipos de microrganismos que luego pueden crecer juntos en el cultivo. Koch resaltó la importancia de los cultivos axenicos y desarrolló varios métodos ingeniosos para obtenerlos. El más útil de todos se basaba en el aislamiento de colonias individuales sobre medios sólidos. Koch observó que cuando se exponía al aire la superficie de algún nutriente sólido, como una rebanada de patata, y luego se incubaba, se desarrollaban colonias bacterianas que exhibían formas y colores característicos. Dedujo que cada colonia se originaba a partir de una única célula bacteriana que había caído sobre la superficie, había encontrado nutrientes apropiados y había comenzado a dividirse. Debido a que la superficie sólida evitaba que la bacteria difundiera, toda la descendencia de la célula inicial permanecía junta y, cuando se alcanzaba un número suficiente de microrganismos, la masa microbiana llegaba a ser visible a simple vista. Además, supuso que las colonias con tamaños y colores diferentes derivaban de tipos diferentes de microrganismos. Cuando las células de una colonia aislada se dispersaban por una superficie fresca aparecían muchas colonias, cada una de las cuales tenía la misma forma y color que la original.

Koch se dio cuenta de que este descubrimiento constituía un medio muy simple de obtener cultivos axénicos: encontró que cuando se extendían cultivos mixtos sobre superficies sólidas conteniendo nutrientes, las células individuales podían quedar lo suficientemente separadas como para que las colonias originadas no se mezclaran. Muchos microrganismos eran incapaces de crecer sobre rebanadas de patata, de modo que ideó medios semisólidos en los que usaba como agentes solidificantes la gelatina y más tarde el agar. Hoy en día el agar es el principal agente usado para solidificar medios de cultivo.

Es importante destacar que la importancia de los postulados de Koch va más alla de la mera identificación de microrganismos causantes de enfermedades. La conclusión esencial es que el estudio de los cultivos axenicos revela que organismos específicos tienen efectos específicos. Este principio de que los diferentes organismos tienen actividades biológicas peculiares fue trascendental para establecer la microbiología como una ciencia biológica independiente. Debido a las importantes contribuciones de Koch, a comienzos del siglo XX, la bacteriología en particular y la microbiología en general ya estaban bien establecidas.

6. ROBERT KOCH Y LA TUBERCULOSIS

El mayor logro del trabajo de Koch en el campo de la bacteriología médica está relacionado con la tuberculosis. Cuando Koch comenzó este estudio (1881), una de cada siete muertes en el hombre eran de tuberculosis. Aunque en aquel tiempo había una fuerte sospecha de que era una enfermedad contagiosa, el organismo causal nunca había sido visto, ni en tejidos de enfermo, ni en cultivo. Desde el principio de su trabajo sobre la tuberculosis el objetivo de Koch fue detectar el agente causante de la enfermedad y para ello empleó todos los métodos que había desarrollado previamente: Microscopía, tinción de tejidos, aislamiento en cultivo puro e inoculación en animales.

El "bacilo de la tuberculosis", Mycobacterium tuberculosis, es muy difícil de teñir debido a que posee grandes cantidades de lípido en su superficie. Pero Koch diseñó un procedimiento para teñirlo en muestras de tejidos usando azul de metileno alcalino junto con un segundo colorante (marrón Bismarck) que teñía solo el tejido. Usando su nuevo método de tinción, Koch observó las células bacilares de M. tuberculosis de color azul en tejidos tuberculosos, quedando estos últimos teñidos de marrón claro. Sin embargo por su trabajo anterior sobre el carbunco, era consciente de que la simple identificación de un microrganismo asociado a la tuberculosis no bastaba; debía cultivar el microrganismo para demostrar que era la causa específica de la tuberculosis.

La obtención de cultivos de M. tuberculosis no resultó fácil, pero finalmente Koch tuvo éxito al obtener colonias de éste organismo sobre suero de sangre coagulada. Posteriormente usó agar, que acababa de ser introducido como agente solidificante. Bajo condiciones óptimas M. tuberculosis crece muy lentamente en cultivo, pero la persistencia y la paciencia de Koch hicieron posible la obtención de cultivos puros de este organismo a partir de diversas fuentes de origen humano y animal. A partir de entonces fue sencillo obtener la prueba definitiva de que el organismo que había sido aislado era la verdadera causa de la tuberculosis. Los cobayas pueden ser fácilmente infectados con M. tuberculosis y posteriormente mueren de tuberculosis sistémica. Koch demostró que los cobayas enfermos contenían masas de M. tuberculosis en sus tejidos y que los cultivos puros de tales animales transmitían la enfermedad a animales sanos. Koch, por tanto, cumplió los cuatro criterios de sus famosos postulados y aclaró la causa de la tuberculosis.

Su trabajo sobre la tuberculosis, no incluía solo el descubrimiento del agente causante del cólera sino también el establecimiento de métodos para su tinción específica, y por la preparación de una sustancia llamada tuberculina, que resultó útil para el diagnóstico de esta enfermedad

Koch tuvo otros muchos triunfos en microbiología. Incluye el descubrimiento y aislamiento del agente etiológico del cólera (V. cholerae), así como la importancia de la filtración de aguas en el control de ésta enfermedad. El desarrollo del concepto de "transportadores" de enfermedades. La publicación de las primeras fotografías de bacterias.

7. DESARROLLO DE LA MICROBIOLOGÍA EN EL SIGLO XX

Durante el s. XX la Microbiología ha experimentado un rápido desarrollo en dos direcciones distintas, una básica y otra aplicada.

En su aspecto aplicado, los progresos de Koch condujeron a un extenso desarrollo de la microbiología médica y la inmunología en la primera parte del siglo, con el descubrimiento de muchas y nuevas bacterias patógenas, y el establecimiento delos principios por los que estos patógenos infectaban el cuerpo y se hacen resistentes a las defensas del mismo. Otros avances práctivos se registraron en el campo de la microbiología agrícola, y ayudaron a comprender los procesos microbianos que son beneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas. Posteriormente en este siglo, los estudios sobre microbiología del suelo aportaron descubrimientos sobre usos importantes de los microrganismos, tales como la formación de antibióticos y productos industriales. Esto abrió el campo de la microbiología industrial, especialmente después de la segunda guerra mundial.

La microbiología del suelo ha suministrado bases sólidas para el estudio de los procesos microbianos que ocurren en cursos de aguas tales como lagos, ríos y océanos, estudios que se agrupan en el área de microbiología acuática. Una rama de la microbiología acuática se centra en el estudio de los procesos capaces de suministrar agua saludable a la sociedad humana. El manejo de los desperdicios que el hombre origina, especialmente los desechos domésticos, requiere el desarrollo de procesos de ingeniería a gran escala para el tratamiento de residuos, muchos de los cuales son microbianos. Por ello se ha desarrollado una microbiología sanitaria que es importante no solo para biólogos sino también para ingenieros con responsabilidad en este campo. Para suministrar agua potable adecuada se han establecido métodos que eliminan las bacterias peligrosas de las redes de agua, lo que constituye una verdadera microbiología del agua potable. Hacia finales del siglo XX, todas estas subdisciplinas que se han mencionado relacionadas con la microbiología aplicada se han unido en un área llamada ecología microbiana.

Además de estos aspectos aplicados, que han fomentado tantos progresos en la sociedad humana, se han desarrollado ampliamente nuestros conocimientos sobre los principios básicos de la función microbiana. En la primera parte del siglo los avances más importantes en microbiología básica estuvieron relacionados con el descubrimiento de nuevas clases de bacterias y su adecuada clasificación (taxonomía bacteriana). La clasificación bacteriana requirió conocer los nutrientes que las bacterias consumen y los productos que forman, dando lugar al campo de la fisiología microbiana. Una parte de la fisiología que llegó a ser de vital importancia a medida que avanzaba el siglo fue el estudio físico y químico de la estructura de las bacterias, estudios que se integraron dentro de campo de la citología bacteriana. Otra rama importante de la fisiología fue el estudio de los enzimas bacterianos y de las reacciones químicas que dirigen, lo que en conjunto constituye la bioquímica bacteriana.

El estudio de la herencia y las variaciones que las bacterias sufren a lo largo de su crecimiento y desarrollo representa otra área muy importante de la investigación básica, que configura la disciplina de la genética bacteriana. Aunque a principios de siglo se tenían algunas ideas sobre variación microbiana hubo que esperar hasta el descubrimiento del intercambio genético en bacterias, alrededor de 1950, para que la genética bacteriana llegara a constituir realmente un intenso campo de estudio. La genética bacteriana, la bioquímica y la fisiología se desarrollaron fundamentalmente hacia mediados de siglo, permitiendo a principio de los años sesenta un conocimiento avanzado del ADN, ARN y de la síntesis proteica. Surgió entonces la biología molecular, debido en gran parte a estos estudios con bacterias.

Otro avance importante del siglo XX es el estudio de los virus. Aunque las enfermedades causadas por virus se descubrieron a finales del siglo XIX, la verdadera naturaleza de los virus no se desveló hasta que no se alcanzó la segunda mitad del siglo XX. Una gran parte de este trabajo comprende el estudio de virus que afectan a bacterias (bacteriófagos). El descubrimiento de que la infección vírica era análoga a una transferencia genética requiere una importante consideración, pues permitió establecer relaciones entre virus y otros elementos genéticos a partir de investigaciones realizadas con bacteriófagos.

Hacia los años sesenta nuestros conocimientos sobre los procesos básicos de la fisiología, bioquímica y la genética bacteriana avanzaron de tal modo que hicieron posible manipular experimentalmente el material genético de las células usando bacterias como instrumentos. Esos conocimientos también permitieron introducir material genético ADN de origen exógeno en bacterias y controlar su replicación y características. Esto llevó a la aparición de la biotecnología. Aunque la biotecnología tuvo inicialmente sus orígenes en estudios básicos, su aplicación al bienestar humano ha requerido la aplicación de principios fisiológicos y de microbiología industrial, sirviendo de ejemplo para ilustrar cómo la investigación básica y la aplicada avanzan juntas. También en esta época se pusieron a punto técnicas de secuenciación de ácidos nucleicos susceptibles de ser usados en el establecimiento de relaciones filogenéticas entre procariotas, introduciendo así nuevos conceptos revolucionarios en el campo de la clasificación biológica y permitiendo comprender, por vez primera, la historia evolutiva de los microrganismos

Año Investigador(es) Descubrimiento

1798 Edward Jenner Vacunación contra la viruela

1868 Robert Lister Principios antisépticos en cirugía

1882 Walter Hesse Agar-Agar

1882 Franz Ziehl y Friedrich Neelsen Tinción Ziehl- Neelsen

1884 Hans Christian Gram Tinción de Gram

1887 Richard Petri Placas de Petri

1888 Santigo Ramón y Cajal Neuronas. Confirmó la célula como la

unidad estructural de los seres vivos

1889 Martinus Beijerinck Concepto de virus (mosaico del tabaco)

1928 Alexander Fleming Penicilium notatum y Penicilina

1901 Martinus Beijerinck Método de cultivos enriquecidos

1953 James Watson y Francis Crick Estructura del ADN