Microbiología: El Mundo de los Microorganismos

La microbiología es la rama de la biología que estudia los microorganismos, incluyendo bacterias, virus, hongos microscópicos, protozoos y otros agentes acelulares. Estos organismos, aunque invisibles al ojo humano, desempeñan roles fundamentales en los ecosistemas y tienen enormes aplicaciones en biotecnología.

## Los Virus: Parásitos Obligados Acelulares

Los virus son entidades acelulares que ocupan una posición única entre lo vivo y lo inerte. No poseen estructura celular propia ni metabolismo independiente, por lo que dependen completamente de células huésped para su reproducción.

### Estructura Viral

Los virus presentan una organización básica que incluye:

#### Componentes Esenciales

- Material genético: ADN o ARN (nunca ambos) Puede ser monocatenario o bicatenario

- Lineal o circular

- Segmentado o no segmentado

- Cápside: Cubierta proteica que protege el material genético Formada por unidades proteicas llamadas capsómeros

- Determina la forma del virus (icosaédrica, helicoidal, compleja)

- Protege el ácido nucleico del ambiente externo

#### Componentes Opcionales

- Envoltura: Membrana lipídica externa Deriva de membranas celulares del huésped

- Contiene proteínas virales específicas

- Facilita la entrada a nuevas células

- Enzimas específicas: Como transcriptasa inversa en retrovirus

### Morfología Viral

Los virus adoptan diferentes formas estructurales:

- Icosaédricos: Simetría icosaédrica, como adenovirus

- Helicoidales: Forma alargada en espiral, como el virus del mosaico del tabaco

- Complejos: Estructura más elaborada, como bacteriófagos

- Envueltos: Con envoltura lipídica, como influenza y coronavirus

### Ciclos de Vida Viral

#### Ciclo Lítico

El ciclo lítico es un proceso de infección viral que resulta en la destrucción inmediata de la célula huésped:

- Adsorción: El virus se une a receptores específicos de la célula

- Penetración: El material genético viral entra en la célula

- Síntesis: Se sintetizan proteínas virales y se replica el genoma viral

- Ensamblaje: Se forman nuevas partículas virales

- Lisis: La célula se rompe liberando los virus progenie

#### Ciclo Lisogénico

En el ciclo lisogénico, el virus permanece latente integrado en el genoma del huésped:

- Infección inicial: Similar al ciclo lítico hasta la penetración

- Integración: El ADN viral se integra al cromosoma bacteriano (profago)

- Latencia: El virus permanece inactivo durante divisiones celulares

- Inducción: Factores de estrés activan el ciclo lítico

- Ciclo lítico: Se completa con la lisis celular

### Virus de Importancia Médica

#### Virus de la Influenza (Gripe)

- Estructura: Virus ARN envuelto con 8 segmentos genómicos

- Proteínas clave: Hemaglutinina (H): Adhesión a células

- Neuraminidasa (N): Liberación de virus progenie

- Variabilidad: Deriva antigénica: Mutaciones puntuales

- Salto antigénico: Recombinación entre cepas

- Ciclo: Infección respiratoria con síntomas sistémicos

#### Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH)

- Clasificación: Retrovirus ARN envuelto

- Tropismo celular: Linfocitos T CD4+, macrófagos

- Enzimas clave: Transcriptasa inversa: Síntesis de ADN a partir de ARN

- Integrasa: Integración del provirus

- Proteasa: Procesamiento de proteínas virales

- Ciclo de infección: Unión a receptor CD4 y correceptores

- Fusión de membranas

- Transcripción inversa

- Integración al genoma celular

- Transcripción y traducción

- Ensamblaje y gemación

## Formas Acelulares Especiales

### Viroides

Los viroides son los agentes infecciosos más simples conocidos, constituidos únicamente por una pequeña molécula de ARN circular:

- Composición: Solo ARN (200-400 nucleótidos)

- Ausencias: Sin cápside, sin proteínas

- Hospedadores: Principalmente plantas

- Mecanismo: Interfieren con la regulación génica del huésped

- Enfermedades: Tubérculo ahusado de la patata, exocortis de cítricos

- Replicación: Utilizan la ARN polimerasa II del huésped

### Priones

Los priones son proteínas infecciosas que causan enfermedades neurodegenerativas devastadoras:

- Composición: Solo proteína (PrP)

- Mecanismo: Forma normal: PrPᶜ (α-hélices)

- Forma patógena: PrPˢᶜ (láminas β)

- Conversión autocatalítica de PrPᶜ a PrPˢᶜ

- Enfermedades humanas: Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob

- Kuru

- Insomnio familiar fatal

- Enfermedades animales: Scrapie (ovejas)

- Encefalopatía espongiforme bovina (EEB)

- Características: Resistentes a nucleasas

- Sensibles a proteasas

- Transmisibles

- Largo período de incubación

## Bacteriófagos: Virus que Infectan Bacterias

Los bacteriófagos o fagos son virus específicos que infectan bacterias, siendo fundamentales en investigación y biotecnología:

### Tipos de Bacteriófagos

- Fagos virulentos: Solo realizan ciclo lítico

- Fagos temperados: Pueden realizar ciclos lítico o lisogénico

### Estructura Típica (Ej: Fago T4)

- Cabeza icosaédrica: Contiene el ADN

- Cola contractil: Inyección del material genético

- Fibras de la cola: Reconocimiento y adhesión

- Placa basal: Anclaje a la superficie bacteriana

### Aplicaciones de los Bacteriófagos

- Terapia fágica: Tratamiento de infecciones bacterianas

- Vectores de clonación: Transporte de genes

- Investigación básica: Estudios de genética molecular

- Control de calidad: Detección de bacterias patógenas

## Biotecnología: Aplicaciones de los Microorganismos

La biotecnología aprovecha las capacidades metabólicas de los microorganismos para producir bienes y servicios beneficiosos para la humanidad.

### Técnicas Fundamentales

#### Tecnología del ADN Recombinante

- Enzimas de restricción: Cortan ADN en secuencias específicas

- Producen extremos cohesivos o romos

- Permiten clonación molecular dirigida

- ADN ligasas: Unen fragmentos de ADN

- Vectores de clonación: Plásmidos: Moléculas de ADN circular extracromosómico

- Fagos: Vectores para fragmentos grandes

- Cósmidos: Híbridos plásmido-fago

- YACs: Cromosomas artificiales de levadura

#### Transformación y Transfección

- Transformación: Introducción de ADN en bacterias Células competentes

- Electroporación

- Choque térmico

- Transfección: Introducción de ADN en células eucariotas Liposomas

- Microinyección

- Biolística

#### Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

- Principio: Amplificación exponencial de secuencias específicas

- Componentes: ADN molde

- Primers específicos

- ADN polimerasa termoestable (Taq)

- Nucleótidos (dNTPs)

- Ciclos: Desnaturalización (94°C)

- Hibridación de primers (50-65°C)

- Extensión (72°C)

- Aplicaciones: Diagnóstico molecular

- Clonación de genes

- Medicina forense

- Estudios evolutivos

### Organismos Transgénicos

Los organismos transgénicos contienen genes de otras especies, lo que les confiere nuevas características:

#### Bacterias Transgénicas

- E. coli productora de insulina humana: Gen de insulina humana en plásmidos

- Producción a gran escala

- Ausencia de reacciones alérgicas

- Producción de proteínas terapéuticas: Hormona del crecimiento

- Interferones

- Factores de coagulación

#### Plantas Transgénicas

- Resistencia a plagas: Genes de Bacillus thuringiensis

- Tolerancia a herbicidas: Genes de resistencia a glifosato

- Mejora nutricional: Arroz dorado con β-caroteno

- Producción de vacunas: Antígenos en plantas comestibles

#### Animales Transgénicos

- Modelos de enfermedad: Ratones knock-out

- Producción de proteínas: Cabras productoras de antitrombina

- Xenotrasplantes: Cerdos con órganos humanizados

### Aplicaciones Médicas

#### Producción de Medicamentos

- Antibióticos: Penicilina (Penicillium)

- Estreptomicina (Streptomyces)

- Eritromicina (Saccharopolyspora)

- Vacunas recombinantes: Hepatitis B en levaduras

- Papilomavirus humano

- COVID-19 (vectores virales)

#### Terapia Génica

- Principio: Corrección de genes defectuosos

- Vectores: Retrovirus modificados

- Adenovirus

- Liposomas

- Electroporación

- Aplicaciones: Inmunodeficiencias

- Fibrosis quística

- Ceguera hereditaria

- Algunos tipos de cáncer

### Aplicaciones Industriales

#### Biotecnología Industrial

- Enzimas industriales: Amilasas para almidón

- Proteasas para detergentes

- Celulasas para papel

- Lipasas para cosméticos

- Biocombustibles: Etanol por fermentación

- Biodiesel de microalgas

- Biogás por digestión anaerobia

#### Biotecnología Ambiental

- Biorremediación: Degradación de contaminantes

- Bioaumentación

- Fitorremediación

- Tratamiento de aguas: Lodos activados

- Digestores anaerobios

- Biofiltros

### Organismos Modelo en Biotecnología

#### Escherichia coli

- Ventajas: Crecimiento rápido

- Genoma bien conocido

- Fácil manipulación genética

- Producción a gran escala

- Aplicaciones: Producción de proteínas recombinantes

- Clonación molecular

- Estudios de expresión génica

#### Saccharomyces cerevisiae (Levadura de Cerveza)

- Ventajas: Organismo eucariota simple

- Modificaciones post-traduccionales

- Seguridad alimentaria (GRAS)

- Fermentación industrial establecida

- Aplicaciones: Producción de vacunas

- Proteínas terapéuticas

- Estudios de genética eucariota

## Consideraciones Éticas y de Bioseguridad

### Principios de Bioseguridad

- Niveles de contención: BSL-1: Riesgo mínimo

- BSL-2: Riesgo moderado

- BSL-3: Riesgo alto

- BSL-4: Riesgo extremo

- Evaluación de riesgos

- Protocolos de emergencia

- Formación del personal

### Aspectos Éticos

- Transgénicos y medio ambiente

- Patentabilidad de organismos vivos

- Equidad en el acceso a biotecnologías

- Consentimiento informado en investigación

## Futuro de la Microbiología y Biotecnología

Las fronteras actuales incluyen la biología sintética, la edición génica con CRISPR, la medicina personalizada y el desarrollo de nuevos biomateriales. Los microorganismos continúan siendo herramientas fundamentales para resolver desafíos globales en salud, ambiente y sostenibilidad.

La comprensión de los virus y otros agentes acelulares no solo es crucial para prevenir enfermedades, sino también para aprovechar su potencial en aplicaciones biotecnológicas innovadoras, desde la terapia génica hasta el desarrollo de nuevos materiales biológicos.