El gran salto de la microbiología

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Introducción
Gran parte del conocimiento actual sobre los microorganismos se incubó [en torno a hace] cien años […]. Repasamos [hoy] algunos hechos relevantes a este respecto, que reflejan el despertar y la evolución de algunas áreas de la Microbiología durante dicho período. Muchos de los protagonistas de las investigaciones puntuales que, por motivos de espacio, resumimos brevemente recibieron en su momento el premio Nobel por trabajos con microorganismos y, en el caso de los avances más recientes, lo pueden recibir en el futuro.

Ahora sabemos que la mayor parte de los seres vivos que existen sobre la Tierra son microorganismos, es decir, organismos que no son visibles a simple vista. A su abundancia cuantitativa se une el hecho de que interaccionan con el resto de seres vivos e incluso con el mundo inanimado y, por ello, han tenido y tienen un gran impacto en la vida humana y en la historia del planeta. Algunas de sus actividades son beneficiosas como, por ejemplo, su empleo en la industria de alimentos, la producción de sustancias útiles (vacunas y hormonas), la generación de biocombustibles o la remediación de áreas polucionadas. Otras, en cambio, son perjudiciales, ya que pueden contribuir al desarrollo de enfermedades o presentar aplicaciones potenciales en técnicas de bioterrorismo.
Aunque hace cien años ya se había enunciado la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas, muchas ideas fundamentales en Microbiología no estaban sin embargo tan claras.

El despertar de la quimioterapia
[…] Fleming descubre en 1929 el primer antibiótico, la penicilina, en el St Mary´s Hospital de Londres. Aunque Fleming aisló e identificó el hongo productor de este antibiótico hubo que esperar hasta las urgentes necesidades creadas por el inicio de la Segunda Guerra Mundial para que la importancia de sus observaciones adquiriera relieve. Fleming, junto con Florey y Chain, recibiría el Premio Nobel en 1945.

La distinción concedida a Fleming por sus agudas dotes de intuición probaba entonces la veracidad de una sentencia de Pasteur sobre el hecho de que en ciencia «la suerte favorece a las mentes preparadas» […].

Por otro lado, Domagk (Nobel 1939) anunció por los años 30 el descubrimiento de un nuevo compuesto, en este caso no natural, en la continuada lucha contra las enfermedades infecciosas. En concreto, este investigador estudió la acción de las sulfamidas, compuestos que, como la penicilina, presentaban el «principio de acción selectiva» intuido años antes por Ehrlich. Durante algún tiempo las sulfamidas constituyeron un instrumento quimioterápico adecuado hasta la introducción generalizada de los antibióticos en la práctica clínica.

La nueva era de los antibióticos, iniciada con la penicilina, se estableció con el desarrollo de programas sistemáticos encaminados a buscar nuevos antibióticos. En este sentido, Waksman (Nobel 1952) jugó un papel decisivo al descubrir la estreptomicina, un hallazgo que fue precursor de otros muchos antibióticos. Sin embargo, la búsqueda de nuevos antibióticos, como expresión del esfuerzo humano para controlar las actividades perjudiciales de los microorganismos, aún no ha terminado.

A Waksman se debe la definición del concepto de antibióticos como sustancias con acción selectiva antimicrobiana y de origen exclusivamente microbiano, para distinguirlos de otros agentes quimioterápicos no naturales.

La inmunología, que se había iniciado con los estudios de Jenner a finales del siglo XVIII, experimentó un notable progreso en paralelo con el desarrollo de vacunas frente a la mayoría de las enfermedades infecciosas conocidas […].

El desarrollo de la virología
En paralelo con lo anterior, otras áreas de la Microbiología experimentaron un notable desarrollo a principios del siglo XX. La existencia de virus animales y vegetales, y su asociación con algunas enfermedades importantes, era ya conocida desde finales del siglo XIX, pero quedaba mucho por conocer.

[…] La existencia de virus bacterianos (bacteriófagos) fue descubierta de forma independiente por Twort y d´Herelle entre 1915 y 1917. La importancia de esos trabajos demostró la ubicuidad de los virus al comprobarse que incluso las bacterias son susceptibles a la infección por virus especializados. El crecimiento de la virología iniciaba entonces su espectacular crecimiento.

Numerosos e infructuosos intentos para crecer virus en medios de cultivo microbiológicos convencionales, que son inanimados, condujeron a la evidencia de que la propiedad más distintiva de los virus es la dependencia de células vivas para su replicación, lo que a su vez determinó que el número de virus estudiados por entonces en los laboratorios se limitara a los patógenos de animales experimentales.

Esta restricción sería parcialmente superada en 1931 con el trabajo de Goodpasture, Woodruff y Buddingh al cultivar virus en embriones de pollo, lo que liberó a los investigadores de las dificultades inherentes al uso de animales de laboratorio […].

El desarrollo simultáneo de la microscopía electrónica y el conocimiento de la estructura física de los virus se acompañó de un progresivo interés por determinar su composición química. Stanley (Nobel 1946) cristalizó el virus del mosaico de tabaco y analizó su composición química, que resultó ser relativamente simple: proteína y ácido nucleico […].

En resumen, en un corto período de tiempo, el nebuloso concepto inicial del «fluido vital contagioso», que Beijerinck había acuñado hace ahora más de un siglo sobre los virus, fue reemplazado por un considerable cuerpo de evidencia sobre una nueva clase de entidades biológicas.

Aunque variables en tamaño, morfología, constitución y comportamiento, los virus poseen un número de caracteres comunes no exhibidos en el mundo bacteriano. Se replican solamente en células vivas y no crecen en medios artificiales, pasan a través de filtros bacteriológicos y, con pocas excepciones, son invisibles al microscopio ordinario. Además, contienen un solo tipo de ácido nucleico y son insensibles a los antibióticos contra bacterias. Constituyen un nivel de organización situada en el umbral de la vida donde la química, la genética y la biología se confunden.

A causa de que son las entidades biológicas más simples conocidas, su manipulación ha sido un importante instrumento en la elucidación de procesos moleculares que caracterizan a todos los seres vivos y en la integración de principios biológicos fundamentales. Irónicamente, pese a que su estudio ha contribuido a establecer muchos principios generales sobre la unidad molecular de la materia viva, el carácter vivo de los virus puede ponerse en duda. Su propia definición parece escapar a los conceptos clásicos de la biología y ser más bien objeto de las filosóficas cavilaciones que rodean a la definición de la vida misma.

Fisiología microbiana y biología molecular
El estudio de la capacidad patogénica de los microorganismos y los mecanismos de defensa frente a sus actividades indeseables constituyó el núcleo sobre el que la Microbiología emergió como ciencia a finales del siglo XIX. […] Bordet (Nobel 1919) descubrió el agente etiológico de la tosferina (Bordetella pertussis) y Nicolle recibió esa misma distinción en 1928 por sus trabajos sobre el tifus. Este investigador es el autor de una profética sentencia sobre la aparición de nuevas enfermedades:

«Así pues, habrá nuevas enfermedades. Es un hecho inevitable… Aparecerán como apareció Atenea, saliendo armada desde la cabeza de Zeus… Hay que resignarse a la ignorancia en los primeros casos evidentes. Se ignorarán, se confundirán con enfermedades existentes con anterioridad y sólo tras un largo periodo de ir a ciegas separaremos el nuevo tipo patológico del tablero de las enfermedades ya clasificadas».


El trascurso de los años revelaría la escondida verdad de estas palabras.

Es comprensible el énfasis inicial de los microbiólogos en abordar el estudio de las enfermedades infecciosas teniendo en cuenta el impacto que los nuevos descubrimientos suponían a corto plazo para el bienestar humano. Pero otros aspectos de la potencialidad fisiológica de los microorganismos no pasaron desapercibidos.

Tras el impulso inicial de Pasteur, el estudio de los mecanismos de fermentación fue estimulado por el valor comercial de los productos terminales, lo que originó nuevos tipos de industria para la producción de sustancias por manipulación microbiana. No es de extrañar que incluso en el nacimiento mismo de la Bioquímica, que se sitúa en los famosos experimentos de Buchner sobre la fermentación alcohólica, se encuentra un elemento típicamente microbiano: las levaduras.

Algunos años antes, el papel de los microorganismos como soporte de la biosfera había sido resaltado incluso por el propio Ramón y Cajal en su discurso de ingreso de 1896 en la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales con estas proféticas palabras:

«Juzgamos pequeño lo que vemos de lejos o no sabemos ver… no obstante, si desaparecieran estas humildes criaturas bien pronto el planeta se tornaría inhabitable»1.


El estudio de las actividades de los microorganismos del suelo, por ejemplo, proporcionó respuestas a reacciones químicas que habían sido de difícil interpretación, como el proceso de nitrificación, el descubrimiento de la fijación de nitrógeno o la vida quimiolitotrofa. Estas actividades microbianas son únicas dentro de la biología y su conocimiento permitió aclarar los mecanismos de las transformaciones cíclicas de los elementos en la naturaleza y la base microbiana de la fertilidad natural de los suelos.

La década de los años 30 del siglo XX fue muy fructífera en el desarrollo de la fisiología microbiana. En ese período, por ejemplo, van Niel describió en 1931 que la fotosíntesis bacteriana emplea H2S como donador de electrones a diferencia de la fotosíntesis vegetal que utiliza el agua. Por esos años también, la destacada actividad del holandés Kluyver permitió establecer la idea integradora de que existe una cierta unidad a nivel bioquímico en el metabolismo básico de todos los organismos.

Olvidando el salto dimensional de lo invisible a lo visible, y basándose en los microbios, Kluyver estableció el concepto unitario de las reacciones químicas que caracterizan a todos los seres vivos. Con esta visión, se sucedieron descubrimientos importantes utilizando sistemas microbianos. Entre ellos, por ejemplo, la caracterización de la vida anaerobia en cultivo o el desarrollo a nivel industrial de la producción de vitaminas por microorganismos. Por entonces, el término «bacteriología» para designar a los departamentos y laboratorios universitarios implicados en estos estudios y otros relacionados empezó a considerarse demasiado restrictivo al incluir también el estudio de otros microorganismos, como los hongos microscópicos.

En definitiva, poco a poco, la confluencia de la Microbiología, la Genética y la Bioquímica a mediados del siglo pasado puso fin al largo aislamiento de la Microbiología de las principales corrientes del pensamiento biológico durante el siglo anterior y estableció los fundamentos para una revolución biológica importante con la llegada de nuevas ramas de conocimiento […].

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Orígenes de la genética molecular
Si hace cien años los microorganismos despertaban un alto grado de curiosidad era porque estos seres vivos de organización tan simple presentan analogías con organismos más desarrollados y, a diferencia de éstos, pueden ser utilizados más fácilmente en la investigación científica.

[…] En 1928 Griffith realizó sus trascendentales experimentos sobre la transformación bacteriana en los neumococos (Streptococcus pneumoniae), que sirvieron para establecer las bases iniciales de la genética microbiana. Por otra parte, los estudios efectuados por Beadle y Tatum (Nobel 1958) con un hongo microscópico (Neurospora) demostraron la existencia de mutantes bioquímicos de origen genético que experimentaban una separación mendeliana de caracteres en el curso de la formación de ascosporas, lo que favoreció la elucidación de rutas metabólicas e inició el campo de estudio de la genética molecular.

Poco después, Luria y Delbrück (Nobel 1969) pusieron de manifiesto la naturaleza no dirigida de las mutaciones mediante la prueba de las fluctuaciones y estos descubrimientos desterraron finalmente las hipótesis adaptativas como base para explicar las variaciones microbianas estables y heredables.

En este contexto, es importante aclarar que los contenidos de la Genética Molecular no se superponen con los de Biología Molecular, que versa esencialmente sobre la bioquímica subyacente a los procesos del dogma bioquímico central (replicación, transcripción y traducción), que inicialmente fue demostrado en sistemas microbianos.

El descubrimiento de los fenómenos de recombinación genética en bacterias, caracterizados por la naturaleza unidireccional del proceso debido a la ausencia de gametos, se inició con los estudios de Avery, MacLeod y McCarty en 1944, que revelaron que la transformación de neumococos descrita años antes por Griffith era debida al paso de material genético de unas cepas a otras […].

Mariano Gacto Fernández2, «Un siglo de descubrimientos (1915-2015)», Revista Eubacteria. Cien años de avances en ciencias de la vida, Nº 34. 2015, págs. 91-97.


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