Técnicas asépticas en el laboratorio de microbiología

En este fragmento de la película "El Doctor Arrowsmith" podemos ver que el protagonista se entusiasma ante el hallazgo de un resultado inesperado. Lo primero que hace es preparar unas muestras y echar un vistazo al microscopio.

En el vídeo se plantean dos cuestiones. Intenta resolverlas


Nota: en los años en los que se supone que está ambientada la película lo de fumar en los laboratorios no era tan raro. El propio Ehrlich lo hacía con frecuencia.

¿Cuánto pesa la biomasa de un microbio?

origen de la imagen

Este es un problema de matemáticas más que de microbiología, pero su objetivo es que se comprenda que una cosa es ser muy pequeño y otra, ser muy numeroso.

Asumiendo que hay 10²⁷ células de Pelagibacter ubique en todos los mares y suponiendo que el volumen medio de una célula es el de 1 micra cúbica y que su densidad es la misma que la del agua para hacer más sencillos los cálculos.

¿Cuánto pesa la biomasa planetaria de Pelagibacter ubique?


Compararla luego con la biomasa total humana (Tirando por lo alto, 6.500 millones de seres humanos con un peso medio de 60 kilos por ser humano).

Biorremediación de suelos

Hay un derrame de un compuesto orgánico llamado X en un suelo. Este producto percola hasta las capas más profundas y anaeróbicas. Mediante una serie de catas se observa como ese compuesto va desapareciendo y transformándose en otros productos debido a la acción de los microorganismos presentes en el suelo. También se analizaron otros compuestos presentes en el suelo, como sulfatos y carbonatos. Debajo se muestra una gráfica con aquellos compuestos que han sido analizados a lo largo del tiempo.

1- ¿Qué tipo de microorganismos degrada el compuesto X en las tres primeras semanas? Explica el porqué crees que es esa clase de microorganismos. Nombra algún género.

2- ¿Qué tipo o género de microorganismos aparece a partir de la tercera semana? Explica el porqué crees que es ese género o tipo.

3- ¿Por qué la curva de concentración de sulfato es bifásica?

(Nota: Este problema fue incluido en el 2º parcial de la asignatura de Microbiología Ambiental del curso 2008-9 por lo que para permitir una mayor variedad de respuestas no se definió si el compuesto X era orgánico o inorgánico)

Aspergillus niger y el citrato

Las siguientes cuestiones son un tema de investigación bibliográfica. No un problema práctico en si mismo.

En 1915 Italia decidió entrar en la Primera Guerra Mundial. La involucración en dicho conflicto significó que una gran parte de la fuerza laboral agrícola que disponía se consumiera en los frentes de batalla. Una de las muchas consecuencias fue que la cosecha de cítricos se echó a perder al completo, lo cual provocó una caída en la producción industrial de ácido cítrico. Y el ácido cítrico es uno de los compuestos esenciales de la industria química moderna. Así que todos los científicos del planeta se pusieron a buscar una fuente alternativa de dicha molécula.

Fue el químico norteamericano James Currie quien se llevó el premio en 1917. Descubrió que el moho Aspergillus niger secretaban grandes cantidades de ácido cítrico cuando se cultivaba en unas determinadas condiciones.

Preguntas:

- ¿Qué tenían de especial dichas condiciones?

- ¿Qué ventaja le supone secretar ácido cítrico al moho Aspergillus niger?

- ¿Por qué hay tan pocos seres vivos que pueden aprovechar el ácido cítrico como fuente de carbono?

Laboratorio vs Naturaleza

Un grupo investigador ha aislado un microorganismo de una laguna cuya temperatura media es de 25º C. Cuando estudian la localización de dicho microorganismo en la columna de agua de la laguna con respecto a los ciclos día-noche los investigadores se encuentran con el siguiente resultado (línea continua en la gráfica).

En el laboratorio el grupo investigador trabaja con el microorganismo aislado y determina los siguientes datos sobre su fisiología y metabolismo. Es una bacteria microaerófila estricta con metabolismo heterotrófico, cuya temperatura óptima es 25º C. Este grupo investigador intenta reproducir en el laboratorio el resultado observado en la naturaleza simulando los ciclos día y noche en una columna de agua inoculada con dicho microorganismo y que se introduce en una cámara incubadora en condiciones aeróbicas y en el que mediante una lámpara solar se simulaban los ciclos día y noche. La temperatura también varía simulando las condiciones encontradas en la Naturaleza: 26º por el ciclo de día, 22º durante el ciclo nocturno. Pero lo que obtienen un resultado completamente distinto (línea discontinua en la gráfica): los microorganismos siempre se encuentran a la misma profundidad.


a.- Desarrolla una hipótesis que explique el resultado.
b.- Diseña un experimento en el que puedas comprobar dicha hipótesis

Crecimiento exponencial

Se inocula una población de 1.000 bacterias en un medio de cultivo. Las condiciones son tan ideales y perfectas que los microorganismos no pasan por una fase de acondicionamiento o latencia y comienzan a crecer y dividirse desde el primer momento.

A distintos tiempos se van tomando muestras para su análisis, midiéndose la densidad óptica del cultivo (DO, línea quebrada), y el número de células presentes en dicho cultivo (N, línea continua). Los valores obtenidos se introducen en un ordenador que los representa en una gráfica semilogarítmica.

Desgraciadamente, un virus informático desconfigura la tabla de datos y lo que produce son dos conjuntos de gráficas distintas.

¿Cúal de las dos gráficas arriba representadas es la correcta y por qué?

Biodiesel, futuras promesas

Este problema apareció en el examen de junio de la asignatura de Microbiología Industrial.



Con la actual crisis energética se están buscando nuevas fuentes de hidrocarburos. Cada vez está más claro que los biocarburantes obtenidos creciendo levaduras a partir de cereales u otras fuentes de alimentación humana tienen más contras que pros. Uno de los inconvenientes es que hacen disminuir la oferta de alimentos, con el posterior encarecimiento de los mismos.

Una posible solución es el uso de microorganismos para producir biodiesel, sobre todo hay mucho interés en las bacterias fotosintéticas. Gracias a su metabolismo las bacterias producen lípidos que luego son extraídos y procesados para producir biodiesel.

Pero a las bacterias les ha salido un competidor. Hay compañías que están investigando con algas eucariotas unicelulares. Como las bacterias fotosintéticas, las algas también producen lípidos que luego son transformados en biodiesel.

Los parámetros de crecimiento de ambos tipos de organismos son los siguientes:

En tu opinión

• ¿Qué ventajas tiene utilizar microorganismos fotosintéticos para producir biocombustibles en lugar de los métodos basados en levaduras y productos de alimentación?


• ¿Cuál de los dos cultivos ofrece más ventajas, o menos inconvenientes, para la producción industrial de biodiesel y por qué?

Tratamiento de aguas residuales. Balance de masas.

Se está estableciendo un proceso de depuración de aguas residuales en continuo. En la primera etapa del proceso la cantidad total de materia en suspensión que entra en el biorreactor es de 1.000 toneladas por día. Ese agua residual es tratada con un inóculo de 10.000 kilos de fangos activos. Tras esa primera etapa, la materia en suspensión se ve reducida hasta un 10% de la concentración inicial. Se ha comprobado que las baterias presentes en los fangos activos degradan completamente a CO2 y H2O hasta un 75% de la materia introducida.

Asimismo, los microorganismos presentes en los fangos activos tienen una velocidad de crecimiento de 8.333 kilos por hora y una tasa de muerte celular de 30 kilos por hora. La masa acumulada de microorganismos en el interior del biorreactor es de 2.470 kilos por hora.

Escribir los balances de masa acumulada en el biorreactor para la materia en suspensión y para las bacterias de los fangos activos que salen del mismo.

Microbiología alimentaria

Una persona que se va a ir de excursión prepara una tortilla de patatas utilizando huevos de granja. La tortilla es preparada la noche anterior. Desgraciadamente, dichos huevos están contaminados en su cáscara con Salmonella enterica. Al romperlos para batirlos se produce una inoculación de dichos microorganimos en el alimento. A esa persona le gusta que la tortilla no esté cuajada del todo, por lo que la cocción no acaba con las bacterias patógenas que se encuentran en la parte más interna de la tortilla. Cuando acaba de hacerla, esa persona deja la tortilla enfriarse a temperatura ambiente. A las 9 de la mañana del día siguiente, mete la tortilla en una tartera que introduce en su mochila y se va de excursión.

Datos:

Número de S. enterica en la cáscara: 1.000 células por milímetro cuadrado.
Huevos utilizados: 6 huevos
Inoculación: se desprende un 25% de las bacterias presentes en 1 centímetro cuadrado por huevo

Máxima temperatura de cocción alcanzada en el interior de la tortilla: 60ºC
Tiempo de cocción real del interior de la tortilla: 2 minutos
Tiempo de Reducción Decimal de Salmonella en esas condiciones: 0,5 minutos

Temperatura durante la noche (tiempo 12 horas): 15º C
Velocidad específica de crecimiento a 15ºC. μ= 0,23 h-1

Temperatura media durante la excursión: 28ºC

Velocidad específica de crecimiento a 28ºC. μ= 0,87 h-1

Inóculo mínimo que debe ingerirse para que S. entérica produzca una infección: 1 millón de bacterias.

Pregunta: Estimar la hora en la que la ingesta de un pincho de dicha tortilla va a provocar una salmonelosis con una certeza del 100%.

Nota para hispanohablantes no españoles: 1 pincho de tortilla es una cuarta parte (aprox.) de ella

Bacterias sabueso

Mediante Ingeniería Genética un grupo ha construido un mutante de Escherichia coli en el sistema biosensor que activa el movimiento del flagelo.

Si inoculamos la cepa silvestre, llamada Cepa-1, en agar semisólido la bacteria puede "nadar" y difundir alrededor:

Cepa silvestre:

(*)cliquear en la imagen para verla más grande

En la cepa mutante, llamada Cepa-2, se ha delecionado el gen cheZ que codifica para la proteína CheZ. Sin esa proteína el control de movimientos del flagelo se pierde.

Primera cuestión: ¿Cómo se comportará dicho mutante? ¿La difusión en agar semisólido será mayor o menor que en la cepa silvestre?

A continuación el grupo investigador toma esa cepa carente de CheZ y le introducen un plásmido que contiene el gen de dicha proteína, pero bajo el control de un ribointerruptor (riboswitch). Esta nueva cepa recibe el nombre de Cepa-3.

El ribointerruptor funciona de la siguiente forma:

• En ausencia de una molécula, llamémosla molécula A, el mRNA mensajero del gen cheZ no se puede traducir por los ribosomas.


• En presencia de la molécula A, el mRNA del gen cheZ se puede traducir por los ribosomas.

Los investigadores inoculan la Cepa-3 en una placa de agar semisólido en donde se ha añadido una gota conteniendo la molécula A en uno de los lados de la placa.

Segunda cuestión: ¿Cómo se comportará la Cepa-3 en dicha placa? ¿Se alejará o se acercará a la molécula A?


Este grupo investigador además ha introducido el gen de la Proteína Verde Fluorescente o GFP (Green Fluorescent Protein) en la Cepa-3, consiguiendo así la Cepa-4. Esta bacteria emite fluorescencia verde gracias a dicha proteína

Tercera cuestión: ¿Qué utilidad práctica podría tener la Cepa-4?

(*)Figura producida a partir del libro "Brock. Biología de los microorganismos" de la Editorial Pearson

Biodeterioro del patrimonio cultural

Un gran número de cuevas que contienen pinturas prehistóricas (Altamira, Cueva de los Murcielagos, ...) han sido cerradas a las visitas públicas para evitar el deterioro de las mismas. A pesar de la oscuridad y la falta de nutrientes del entorno, los microorganismos pueden crecer. La combinación entre el dióxido de carbono producido por los visitantes y los microbios que viven en la superficie de la roca producen la degradación de las pinturas. En una primera fase se intentó evitar dicha degradación mediante el uso de agentes químicos pero dichos agentes biocidas demostraron ser mucho más agresivos contra las pinturas que contra los microorganismos. Se ha observado que la primera etapa de biodeterioro de una pintura suele comenzar con la aparición de una mancha verde-azulada. Sobre esa mancha verde-azulada se va disponiendo un biofilm compuesto de una gran diversidad de bacterias y hongos que van atacando la pintura.

Recientemente, la Comunidad Europea ha iniciado un proyecto cuyo objetivo es evitar dicha degradación y permitir la reanudación de las visitas. Hay varios grupos investigadores y cada uno ha desarrollado una determinada estrategia para resolver el problema. Aquí se describen las dos más prometedoras en cuanto a sus resultados preliminares y una que ha fracasado:

• Estrategia A: Iluminar las cuevas con una luz verde-azulada. Se ha observado que evita la aparición de las manchas del mismo color y por lo tanto no se desarrolla el biofilm posterior.

• Estrategia B: Utilización de sideróforos sintéticos. Los sideróforos son moléculas quelantes para el hierro. Esta estrategia se utiliza tanto en los estados iniciales de la formación del biofilm, como en los más avanzados. Se observa una disminución del crecimiento del biofilm e incluso su desaparición.

• Estrategia C: Utilización de antibióticos específicos. La utilización de fungicidas, o de bactericidas que solo atacasen un determinado grupo de microorganismos (antibióticos contra Gram + o contra Gram -) hace disminuir la población de dichos microorganismos en el biofilm. Sin embargo, el tratamiento no parece ser efectivo ni siquiera inicialmente, pues no se observa ningún tipo de disminución en el crecimiento del biofilm durante el tratamiento. Para empeorar las cosas, a largo plazo aparecen microorganismos resistentes contra dichos compuestos, con lo que dicho tratamiento deja de ser efectivo por completo.

Preguntas:

1. ¿Qué tipo de microorganismos se ven afectados por la estrategia A?


2. Considerando la respuesta dada a la pregunta 1, explicar por qué son los primeros microorganismos del biofilm y cómo pueden vivir y reproducirse esos microorganismos en un entorno en oscuridad como el de una caverna


3. ¿Por qué el tratamiento con antibióticos es inefectivo incluso inicialmente?


4. ¿Por qué son efectivos los sideróforos sintéticos en la inhibición del crecimiento del biofilm?


5. ¿Aparecerán microorganismos resistentes contra los sideróforos?

Cianobacterias y biofertilización

Una empresa que produce biofertilizantes está ensayando el potencial de dos especies de cianobacterias como fijadores de nitrógeno. Una de las especies pertenece al género Oscillatoria y la otra al género Anabaena. Debajo se muestra unas gráficas que comparan la eficiencia en la fijación del nitrógeno de ambas especies a lo largo de los ciclos día-noche.




Explica porqué el comportamiento de ambas especies es tan distinto.

Contaminación fecal en playas

En el año 1999, la playa de Huntington en California tuvo que ser cerrada debido a un problema de contaminación fecal. Inmediatamente se realizó una serie de muestreos para determinar el origen de la contaminación. Dicho origen estaba en las aguas del río Santa Ana. Alrededor de dicho río confluían las aguas de una zona urbana, una planta de energía y una marisma recuperada como un refugio de aves (Marisma Talbert). Abajo se muestra un mapa de la zona contaminada indicando las conducciones de agua hasta el río y con las estaciones de muestreo (círculos numerados).

En las zonas urbanas de los Estados Unidos, la red de aguas pluviales está separada de la red de aguas negras (aguas fecales). Adicionalmente, las aguas fecales son depuradas antes de ser vertidas en el río Santa Ana.

Los resultados de contaminación microbiana de los muestreos fueron los siguientes (números en UFC por 100 mililitros).

Adicionalmente, se realizó un muestreo de microorganismos fecales a lo largo de varios días en la estación 4 y en ella se encontró lo siguiente:

Los microbiólogos postularon una hipótesis sobre el origen pero dicha hipótesis no convenció al ayuntamiento. Se decidió realizar una serie más exhaustiva de muestreos y tras ellos se pudo determinar exactamente dónde se producía dicha contaminación. Se comprobó que la hipótesis inicial dicha por los microbiólogos era la correcta.

¿Dónde se originaba la contaminación?

¿Qué datos apoyan dicha conclusión?

¿Por qué aparece un patrón oscilante en la estación número 4?

Planta biosensora

En las imágenes de arriba puede observarse a una planta transgénica muy especial. Pertenece al género Arabidopsis y está diseñada para actuar como un biosensor. Ha sido producida por una empresa danesa para un proposito muy especial.

En condiciones normales la planta es verde. Pero si en el suelo se encuentra la molécula NO2, entonces la planta cambia de color. La molécula de NO2 es absorbida por la planta, y una vez dentro, esta molécula activa la síntesis de un pigmento rojo.

El foro de Davos reunido en enero del 2007 calificó a esta tecnología como pionera y prometedora. Los ensayos de esta planta en Croacia y Serbia tuvieron bastante éxito y se está planeando utilizarlas en Africa. Sin embargo, también hay críticas. Una es que son plantas transgénicas y serían liberadas en la naturaleza. La otra es que segun la Fundación HALO, no es un buen biosensor, pues si no hay liberación de NO2, la planta no se oscurece.

Preguntas

1. ¿Qué bacteria se ha usado para obtener esta planta transgénica?
2. ¿Qué tipo de genes se han introducido para obtener dicha pigmentación roja?
3. ¿Para qué se está utilizando esta planta?